metodologías de diseño para el suministro de energía

Universidad de La Salle Universidad de La Salle

Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle

Ingeniería Eléctrica Facultad de Ingeniería

1-1-2010

Metodologías de diseño para el suministro de energía eléctrica en Metodologías de diseño para el suministro de energía eléctrica en

zonas no interconectadas a partir de energías renovables zonas no interconectadas a partir de energías renovables

Luis Gerardo Cortes Universidad de La Salle, Bogotá

John Edison Montañez Universidad de La Salle, Bogotá

Follow this and additional works at: https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_electrica

Citación recomendada Citación recomendada Cortes, L. G., & Montañez, J. E. (2010). Metodologías de diseño para el suministro de energía eléctrica en zonas no interconectadas a partir de energías renovables. Retrieved from https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_electrica/523

This Trabajo de grado - Pregrado is brought to you for free and open access by the Facultad de Ingeniería at Ciencia Unisalle. It has been accepted for inclusion in Ingeniería Eléctrica by an authorized administrator of Ciencia Unisalle. For more information, please contact [email protected].

https://ciencia.lasalle.edu.co/

https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_electrica

https://ciencia.lasalle.edu.co/fac_ingenieria

https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_electrica?utm_source=ciencia.lasalle.edu.co%2Fing_electrica%2F523&utm_medium=PDF&utm_campaign=PDFCoverPages

https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_electrica/523?utm_source=ciencia.lasalle.edu.co%2Fing_electrica%2F523&utm_medium=PDF&utm_campaign=PDFCoverPages

https://ciencia.lasalle.edu.co/ing_electrica/523?utm_source=ciencia.lasalle.edu.co%2Fing_electrica%2F523&utm_medium=PDF&utm_campaign=PDFCoverPages

mailto:[email protected]

METODOLOGÍAS DE DISEÑO PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN ZONAS NO INTERCONECTADAS A PARTIR DE ENERGÍAS

RENOVABLES

LUIS GERARDO CORTES JOHN EDISON MONTAÑEZ

UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA BOGOTÁ

2010

METODOLOGÍAS DE DISEÑO PARA EL SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA EN ZONAS NO INTERCONECTADAS A PARTIR DE ENERGÍAS

RENOVABLES

LUIS GERARDO CORTES JOHN EDISON MONTAÑEZ

Trabajo de grado para optar al título de profesional en ingeniería eléctrica.

Director PEDRO J. PINEDA PARRA Ingeniero Electricista, M.Sc

Docente Ingeniería Eléctrica.

UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERÍA

PROGRAMA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA BOGOTÁ

2010

Nota de aceptación

Presidente del jurado

Jurado.

Jurado.

Bogotá D.C, 2010

AGRADECIMIENTOS

A Dios por habernos dado sabiduría, fortaleza espiritual y apoyo incondicional en el

transcurso de nuestra carrera haciendo realidad un logro más en nuestras vidas, a

todas y cada una de las personas que hicieron posible este título profesional como

Ingenieros Electricistas.

A todo el personal de la Universidad de La Sallé, al Programa de Ingeniería Eléctrica en

especial a nuestro director de tesis el Ing. Pedro Pineda, que nos guio en el desarrollo

de nuestro proyecto de grado y por el apoyo brindado.

Dedico este título de Ingeniero Electricista en especial a mi familia, mi madre Darly Cortes Hillberry, a su esposo Thomas Hillberry, a mi abuela Modesta E. de Cortes, a mis tíos, tías, primos y primas que me ayudaron y fueron un apoyo incondicional ya que con su paciencia, fortaleza y firme convicción fueron pilares en el trascurso de mi carrera. A todos ellos, muchas gracias, muchos éxitos en sus vidas y que Dios los bendiga.

El presente proyecto de grado, lo dedico en primera instancia a mis seres queridos, Luz Marina Rodríguez, Gilberto Montañez, Andrés Camilo Montañez, Paola Molano Ramírez, Christian Beltrán, Duperly Peláez y demás personas que con su apoyo, paciencia y trabajo mancomunado han hecho de mí, la persona que hoy en día sustenta el título de Profesional en el campo de la Electricidad, a todos ellos mis más sinceros agradecimientos y la promesa de que este sendero lo seguiremos caminando juntos, reitero una vez más el compromiso profesional y de responsabilidad social para con mi país.

UNIVERSIDAD DE LA SALLE FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA

EDISON MONTAÑEZ. 3 LUIS GERARDO CORTES.

1. INTRODUCCIÓN ....................................................................................................... 10

1.1 OBJETIVOS .................................................................................................................. 11 1.1.1 OBJETIVO GENERAL ............................................................................................................. 11 1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ....................................................................................................... 11

2. ENERGIA SOLAR ....................................................................................................... 12

2.1 Radiación Solar de Onda Corta ................................................................................... 13

2.2 Importancia de la variable .......................................................................................... 13

2.3 Factores que Influyen en los Niveles de Radiación ..................................................... 14

2.4 Energía solar fotovoltaica ........................................................................................... 19

2.5 Tipos de instalaciones solares fotovoltaicas ............................................................... 20 2.5.1 Instalaciones aisladas de la red eléctrica .............................................................................. 20 2.5.2 Instalaciones conectadas a la red eléctrica convencional ...................................................... 22

2.6 Subsistema de captación de energía solar. ................................................................. 23 2.6.1 Tipos de paneles solares ...................................................................................................... 24 2.6.2 Conexión de los módulos ..................................................................................................... 26

2.6.2.1 Conexión en serie ....................................................................................................... 26 2.6.2.2 Conexión en paralelo .................................................................................................. 27

2.6.3 Caracteristicas de los paneles ............................................................................................... 28 2.6.3.1 Curva V-I ..................................................................................................................... 29 2.6.3.2 Curva V-I en función de la irradiancia .......................................................................... 30 2.6.3.3 Curva V-I en función de la temperatura ....................................................................... 30

2.6.4 Estructuras soporte.............................................................................................................. 31

2.7 Subsistema de acumulación de energía. ..................................................................... 32 2.7.1 Principio de funcionamiento ................................................................................................ 32 2.7.2 Tipos de baterías ................................................................................................................. 35

2.7.2.1 Batería de Pb-ácido. .................................................................................................... 36 2.7.2.2 Batería de Ni-Cd.......................................................................................................... 37

2.8 Subsistema de regulación. .......................................................................................... 38 2.8.1 Función................................................................................................................................ 38 2.8.2 Tipos de reguladores de carga .............................................................................................. 40 2.8.3 Características esenciales de los reguladores de carga .......................................................... 42

2.8.3.1 Indicadores de estado ................................................................................................. 42 2.8.3.2 Protecciones típicas .................................................................................................... 43 2.8.3.3 Señalizaciones habituales............................................................................................ 43 2.8.3.4 Parámetros para el diseño .......................................................................................... 43 2.8.3.5 Parámetros que determinan la operación ................................................................... 43

2.9 Subsistema de adaptación del suministro de adaptación del suministro eléctrico. .... 44 2.9.1 Cargas de consumo .............................................................................................................. 46 2.9.2 Tipos de inversores. ............................................................................................................. 47 2.9.3 Requisitos para el inversor en el sistema fotovoltaico........................................................... 49

2.10 Subsistema de transporte de la energía eléctrica ....................................................... 49

2.11 Subsistema de protección. .......................................................................................... 50



2.12 Metodología de Diseño para una instalación de Energía Solar ................................... 51 2.12.1 Criterio de Ubicación ....................................................................................................... 51 2.12.2 Criterio de recursos ......................................................................................................... 52 2.12.3 Criterios Técnicos y Procedimiento: ................................................................................. 52

2.12.3.1 Estudio de las necesidades en corriente continua y en corriente alterna ..................... 53 2.12.3.2 Evaluación del aporte solar incidente sobre la ubicación ............................................. 55 2.12.3.3 Determinación del Panel Fotovoltaico a utilizar ........................................................... 56 2.12.3.4 Dimensionado del número paneles (NT)..................................................................... 56 2.12.3.5 Dimensionado del subsistema de acumulación de energía (baterías) ........................... 57 2.12.3.6 Dimensionado del subsistema de regulación ............................................................... 62 2.12.3.7 Dimensionado del subsistema de adaptación de suministro eléctrico (inversor) .......... 63 2.12.3.8 Dimensionado del subsistema de transporte de energía eléctrica y del subsistema de protección …………………………………………………………………………………………………………….…………………….64

3. ENERGIA EOLICA ...................................................................................................... 73

3.1 Utilidad de la variable ................................................................................................. 75

3.2 Recurso eólico ............................................................................................................ 79 3.2.1 Estimación del recurso ......................................................................................................... 79

3.3 Aplicaciones................................................................................................................ 81 3.3.1 Sistemas eléctricos aislados ................................................................................................. 81 3.3.2 Sistemas eléctricos conectados a la red ................................................................................ 82 3.3.3 Sistemas centralizados ......................................................................................................... 82

3.4 La energía en el viento ................................................................................................ 83

3.5 Fundamentos .............................................................................................................. 84 3.5.1 Área de barrido .................................................................................................................... 85

3.6 Distribución de velocidades del viento ....................................................................... 86

3.7 Incremento de la velocidad del viento y de la potencia con la altura ......................... 87

3.8 Tamaño relativo ......................................................................................................... 89

3.9 TECNOLOGIA DEL AEROGENERADOR .......................................................................... 90 3.9.1 Principio de funcionamiento ................................................................................................ 90 3.9.2 Tipos de aerogeneradores .................................................................................................... 90

3.9.2.1 Aeroturbinas lentas .................................................................................................... 93 3.9.2.2 Aeroturbinas rápidas .................................................................................................. 94

3.10 Partes de un aerogenerador ....................................................................................... 96

3.11Curvas de potencia ........................................................................................................... 98

3.11 Metodología de Diseño para instalaciones de Energía Eólica ..................................... 99 3.11.1 Criterio de Ubicación ....................................................................................................... 99 3.11.2 Criterio de recursos ....................................................................................................... 101 3.11.3 Criterios Técnicos y Procedimiento ............................................................................... 101

3.11.3.1 Estudio de las necesidades básicas en corriente continua y en corriente alterna........ 101 3.11.3.2 Evaluación del aporte eólico incidente sobre la ubicación ......................................... 103 3.11.3.3 Determinación del aerogenerador o turbina eólica a utilizar ..................................... 105 3.11.3.4 Dimensionado del subsistema de acumulación de energía (baterías). ........................ 106 3.11.3.5 Dimensionado del subsistema regulación .................................................................. 109



3.11.3.6 Dimensionado del subsistema adaptación de suministro eléctrico (inversor) ............. 109 3.11.3.7 Dimensionado del subsistema de transporte de energía eléctrica y del subsistema de protección. ………………………………………………………………………………………………………………………………….109

4. BIOMASA ............................................................................................................... 111

4.1 Utilidad de la variable ............................................................................................... 111

4.2 Energía de la Biomasa ............................................................................................... 111 4.2.1 Aplicaciones....................................................................................................................... 112 4.2.2 Tipos de biomasa ............................................................................................................... 113

4.3 Métodos de transformación de la biomasa .............................................................. 114 4.3.1.1 Métodos termoquímicos: .......................................................................................... 115 4.3.1.2 Métodos biológicos................................................................................................... 116

4.4 TECNOLOGIA DEL BIODIGESTOR ............................................................................... 116 4.4.1 TIPOS DE BIODIGESTORES .................................................................................................. 117

4.4.1.1 Pozos sépticos .......................................................................................................... 117 4.4.1.2 Biodigestor Indio ...................................................................................................... 117 4.4.1.3 Biodigestor Chino ..................................................................................................... 118 4.4.1.4 Biodigestor de estructura flexible.............................................................................. 118 4.4.1.5 Digestor flotante ....................................................................................................... 119 4.4.1.6 Digestor con tanque de almacenamiento tradicional y cúpula de polietileno ............. 120 4.4.1.7 Digestores de alta velocidad o flujo inducido ............................................................. 120

4.5 Metodología de Diseño para una instalación a partir de Biomasa ............................ 121 4.5.1 Criterio de Ubicación: ........................................................................................................ 122 4.5.2 Criterio de recursos............................................................................................................ 122 4.5.3 Criterios Técnicos y Procedimiento .................................................................................... 122

4.5.3.1 Estudio de las necesidades en corriente continua y en corriente alterna ................... 123 4.5.3.2 Evaluación del aporte biomásico en la ubicación del proyecto. .................................. 124 4.5.3.3 Cálculo de Biodigestor .............................................................................................. 124 4.5.3.4 Preparación del sitio ................................................................................................. 125 4.5.3.5 Instalación del Biodigestor de estructura flexible ...................................................... 127 4.5.3.6 Selección de la Micro turbina .................................................................................... 129

5. SISTEMAS HÍBRIDOS .............................................................................................. 131

5.1 Aplicaciones de los sistemas híbridos ....................................................................... 133

5.2 Requerimientos y características que tienen más impacto en el diseño y desarrollo de sistemas híbridos. ................................................................................................................. 133

5.3 Aspectos Técnicos ..................................................................................................... 134

5.4 Aspectos no técnicos ................................................................................................ 134

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................. 135

7. BIBLIOGRAFÍA ........................................................................................................ 137

8. ANEXOS ................................................................................................................. 140



LISTA DE FIGURAS

Figura 1.Distribución de la radiación ........................................................................................................... 13 Figura 2. Mapa de Radiación solar global por día. ....................................................................................... 16 Figura 3. Mapa de brillo solar anual por día. ............................................................................................... 17 Figura 4. Esquema de una instalación fotovoltaica aislada. ......................................................................... 22 Figura 5. Esquema de instalación fotovoltaica conectada a la red. .............................................................. 23 Figura 6. Tipos de paneles solares. .............................................................................................................. 25 Figura 7. Conexión de paneles en serie. ....................................................................................................... 26 Figura 8. Conexión de paneles en paralelo. .................................................................................................. 27 Figura 9. Curva V-I del panelET-P672 240-280W de ET-SOLAR. .................................................................... 29 Figura 10. Curva V-I del panel ET-P672 240-280W, de ET-SOLAR. ................................................................. 30 Figura 11. Curva V-I/T del panel ET-P672 240-280W, de ET-SOLAR. ............................................................. 31 Figura 12. Estructura fija. ........................................................................................................................... 32 Figura 13. Componentes de una batería. ..................................................................................................... 34 Figura 14. Componentes de una batería de Plomo-ácido. ............................................................................ 37 Figura 15.Componentes de una batería Níquel-Cadmio. .............................................................................. 38 Figura 16. Diagrama de regulador en serie y paralelo. ................................................................................. 41 Figura 17. Diagrama de conexión. ............................................................................................................... 46 Figura 18. Inversor Autoconmutado. ........................................................................................................... 48 Figura 19. Sistema de protección de puesta a tierra .................................................................................... 51 Figura 20. Trayectoria a la vereda El Trique ................................................................................................. 52 Figura 21. Recurso solar .............................................................................................................................. 55 Figura 22. Esquema de puesta a tierra en instalaciones solares fotovoltaicas. ............................................. 70 Figura 23. Mapa de la velocidad media del viento. ...................................................................................... 76 Figura 24. Mapa de localización de lugares con mayor potencial de energía eólica. ..................................... 77 Figura 25. Sistema eólico autónomo ........................................................................................................... 81 Figura 26. Sistema eólico conectado a la red ............................................................................................... 82 Figura 27. Sistema eólico centralizado......................................................................................................... 83 Figura 28. Área de barrido del rotor ............................................................................................................ 86 Figura 29. Gráfico de la frecuencia velocidades del viento. .......................................................................... 87 Figura 30. Gráfico de incremento de la velocidad del viento como función de la altura. ................................ 88 Figura 31. Micro y macro turbinas............................................................................................................... 89 Figura 32. Curva de rendimiento de máquinas eólicas ................................................................................. 92 Figura 33. Aeroturbinas lentas .................................................................................................................... 93 Figura 34. Aeroturbina rápida ..................................................................................................................... 94 Figura 35. Veleta ........................................................................................................................................ 95 Figura 36. Aerogenerador y algunas de sus partes....................................................................................... 96 Figura 37. Curva de potencia de un aerogenerador marca Lakota 900W ..................................................... 99 Figura 38. Trayectoria al Municipio de Uribía ............................................................................................ 100 Figura 39. Recursos del municipio ............................................................................................................. 104 Figura 40. Recurso eólico anual ................................................................................................................. 104 Figura 41. Turbina FL3KW ......................................................................................................................... 105 Figura 42. Transformación de la energía ................................................................................................... 114 Figura 43.Pozo séptico .............................................................................................................................. 117 Figura 44. Biodigestor Indio ...................................................................................................................... 118 Figura 45. Biodigestor Chino ..................................................................................................................... 118 Figura 46. Biodigestor Modelo Horizontal ................................................................................................. 119 Figura 47. Biodigestor flotante .................................................................................................................. 119 Figura 48. Digestor con tanque de almacenamiento tradicional y cúpula de polietileno. ............................ 120



Figura 49.Digestores de alta velocidad. ..................................................................................................... 121 Figura 50. Trayectoria a la vereda San Carlos de Guaroa. .......................................................................... 122 Figura 51. Zanja con muros de retención hechos de tierra o piedra ............................................................ 126 Figura 52. Zanja con muros de retención hechos de tabique y cemento. Muestra las esquinas suaves y redondeadas con tierra. ............................................................................................................................ 126 Figura 53. Zanja con muros de retención hechos en cemento. De nuevo se hace referencia a las medidas y esquinas suaves. ....................................................................................................................................... 127 Figura 54. Vista lateral de la zanja con registro de entrada y línea de salida .............................................. 127 Figura 55. El geotextil está siendo utilizado para cubrir el piso y los muros laterales y así proteger la Biobolsa. ................................................................................................................................................................ 128 Figura 56. Instalación de los tubos de salida y entrada .............................................................................. 129 Figura 57. Micro-turbina Infinity Turbine 10. ............................................................................................. 130 Figura 58. Sistemas Hibrido Eólico-Solar .................................................................................................... 132 Figura 59 Sistema hibrido Eólico-Solar-Electrógeno ................................................................................... 132



LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Promedio de brillo solar mensual en las principales ciudades del país respectivamente. ................. 18 Tabla 2. Comparación entre tecnologías aplicadas a los paneles fotovoltaicos. ........................................... 25 Tabla 3. Tipos y características técnicas de una batería. .............................................................................. 35 Tabla 4. Rendimiento en inversores ............................................................................................................. 45 Tabla 5. Descripción de las Necesidades en C.C. ........................................................................................... 53 Tabla 6. Descripción de las Necesidades en C.A. .......................................................................................... 53 Tabla 7. Tipo de baterías y Profundidad máxima de descarga (Pf) ............................................................... 57 Tabla 8. Profundidad de descarga diaria .................................................................................................... 58 Tabla 9. Dimensiones y pesos de baterías .................................................................................................... 60 Tabla 10.Factores de corrección por agrupamiento ..................................................................................... 66 Tabla 11. Capacidad de corriente para conductores de cobre ...................................................................... 67 Tabla 12. Factores de corrección ................................................................................................................. 67 Tabla 13. Impedancia de conductores en ducto (conduit). ........................................................................... 69 Tabla 14. Tamaño nominal mínimo de los conductores de puesta a tierra para canalizaciones y equipos ..... 71 Tabla 15. Requisitos para electrodo de puesta a tierra según RETIE ............................................................. 72 Tabla 16. Escala y velocidad del viento ....................................................................................................... 74 Tabla 17. Velocidad media del viento en principales lugares del país. .......................................................... 78 Tabla 18. Relaciones generales entre la viabilidad y velocidad del viento para su uso como fuente de energía. .................................................................................................................................................................. 80 Tabla 19. Exponentes típicos de rugosidad .................................................................................................. 88 Tabla 20. Municipios con alto potencial eólico. ......................................................................................... 100 Tabla 21. Descripción de las necesidades en C.C. ....................................................................................... 101 Tabla 22. Descripción de las necesidades en C.A. ....................................................................................... 102 Tabla 23. Profundidades máximas de descarga. ....................................................................................... 106 Tabla 24. Profundidad de descarga diaria ................................................................................................. 107 Tabla 25. Producción de estiércol. ............................................................................................................. 124 Tabla 26. Equivalencias Ton - m3 - kWh ..................................................................................................... 125 Tabla 27. Capacidad del biodigestor y largo de la zanja. ............................................................................ 126



LISTA DE ANEXOS

Anexo A. Diagramas preliminares de una instalación solar fotovoltaica ..................................................... 141 Anexo B. Diagramas preliminares de una instalación eólica. ...................................................................... 142 Anexo C. Diagramas preliminares de una instalación biomásica. ............................................................... 143 Anexo D. Herramienta informática de apoyo para el dimensionamiento de instalaciones eléctricas en ZNI. 144



1. INTRODUCCIÓN

Hoy en día la demanda de energía eléctrica ha crecido sustancialmente, así como la contaminación ambiental; a pesar del crecimiento gradual de demanda de energía y la venta de energía a otros países, el 66% del territorio nacional no se encuentra interconectado, por esta razón es importante ver otras opciones para abastecer de energía a las zonas no interconectadas del territorio nacional. La no interconexión ha traído como consecuencia la necesidad de explotar cada vez más los recursos naturales para la generación de dicha energía, al mismo tiempo que se ha pensado en disminuir la contaminación ambiental que causa la generación eléctrica con combustibles fósiles.

El aumento en la generación de energía eléctrica por medio de las energías renovables, como la energía solar, la eólica y la biomasa ha traído soluciones para mitigar la contaminación ambiental y ayudar a abastecer de energía a las zonas aisladas en las cuales no se cuenta con una red eléctrica. Es así como la generación de energía eléctrica renovable a pequeña escala puede ser una buena alternativa para casos, donde se carece del suministro eléctrico o bien para el simple hecho de disminuir el consumo de energía eléctrica suministrada con combustibles fósiles por las compañías generadoras. Este proyecto de grado hace parte de la primera línea de investigación “generación, transmisión y distribución de energía eléctrica”, del programa de Ingeniería Eléctrica en la Universidad de La Salle, enfocado hacia la aplicación de fuentes de energías no convencionales, por medio de una metodología de diseño para el suministro de energía eléctrica en zonas no interconectadas y que hace parte del proyecto de investigación de electrificación de ZNI (Zonas No Interconectadas) del Centro de Investigación en Desarrollo Sustentable y Cambio Climático (CIDESCAC).



1.1 OBJETIVOS

1.1.1 OBJETIVO GENERAL

Realizar el diseño y dimensionamiento de tecnologías renovables (solar, biomasa y eólica) para el suministro de electricidad en zonas no interconectadas.

1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Caracterizar y dimensionar diseños eléctricos basados en energías

renovables, (solar, biomasa y eólica) para su implementación en zonas no

interconectadas.

Elaborar diseños preliminares para adelantar un estudio técnico, enfocado

al aprovechamiento de estas fuentes de energía.

Analizar, desde el punto de vista técnico, la implementación de energías

renovables para la electrificación rural de zonas no interconectadas.

Desarrollar una herramienta informática de apoyo para el dimensionamiento

y diseño de instalaciones eléctricas en ZNI.



2. ENERGIA SOLAR

El Sol, el astro que da vida a la Tierra y que configura el sistema planetario en el que nos encontramos, es una estrella formada por hidrógeno y helio. Se calcula que tiene un Antigüedad de 4.500 millones de años y que aún le quedan unos 5.000 millones de años más antes de que se convierta en un cuerpo frío. Hoy por hoy, se trata de un inmenso horno nuclear, con un diámetro 110 veces superior al de la Tierra. La energía que nos llega a nosotros es ínfima (el núcleo del Sol, un 40 % de su masa, genera 90 % de la energía) si tenemos en cuenta que se trata de un reactor termonuclear de fusión que genera temperaturas de 60 millones de grados Kelvin.En la superficie solar la temperatura es sólo de unos 6000° K pero, en la corona, la capa gaseosa que rodea la estrella es de unos 2 millones de grados.

El Sol no es un cuerpo sólido sino una enorme bola de gas termonuclear concentrado por la enorme fuerza de gravedad que ejerce el núcleo. Curiosamente, la masa de vapor espeso del ecuador del Sol y de los polos gira a distinta velocidad. Este estado de la materia del Sol se llama plasma y los flujos que se crean entre el núcleo y la superficie generan un potente campo magnético.[1]

La energía solar es el motor que determina la dinámica de los procesos atmosféricos y el clima. La energía que emite el sol principalmente es en forma de radiación de onda corta. Después de pasar por la atmósfera, donde sufre un proceso de debilitamiento (por la difusión y reflexión en las nubes) y de absorción (por las moléculas de gases y por partículas en suspensión), la radiación solar alcanza la superficie terrestre (océano o continente) que la refleja o la absorbe.

La cantidad de radiación absorbida por la superficie es devuelta en dirección al espacio exterior en forma de radiación de onda larga, con lo cual se transmite calor a la atmósfera. El clima de la Tierra depende del balance radiactivo. En la Figura 1 se muestra un esquema de la distribución de la radiación en el sistema tierra-atmósfera y a grandes rasgos, el balance radiactivo que tiene los siguientes componentes:

Luz infrarroja

Tope de atmósfera

Calor latente-evaporación

Calor sensible

Aire



Figura 1.Distribución de la radiación

Fuente: http:/homepage.mac.com/Uriarte/maprad.html

2.1 Radiación Solar de Onda Corta

El Sol emite energía en forma de radiación de onda corta. Después de pasar por la atmósfera, donde sufre un proceso de debilitamiento, la radiación solar alcanza la superficie terrestre, oceánica y continental, que la refleja o la absorbe. La radiación que finalmente llega a la superficie de la Tierra se clasifica en: • Radiación directa: radiación que llega a la superficie de la Tierra en forma de rayos provenientes del sol sin cambios de dirección. • Radiación difusa: componente de la radiación solar que al encontrar pequeñas partículas en su camino hacia la Tierra es difundida en todas las direcciones. • Radiación global: toda la radiación que llega a la Tierra, resultado de la componente vertical de la radiación directa más la radiación difusa.

2.2 Importancia de la variable

La radiación solar es la energía emitida por el Sol, que se propaga en todas las direcciones a través del espacio mediante ondas electromagnéticas. Esa energía es el motor que determina la dinámica de los procesos atmosféricos y el clima. Medir la radiación solar es importante para un amplio rango de aplicaciones, en el sector de la agricultura, ingeniería, destacándose el monitoreo del crecimiento de plantas, análisis de la evaporación e irrigación, arquitectura y diseño de edificios,



generación de electricidad, diseño y uso de sistemas de calentamiento solar, implicaciones en la salud, modelos de predicción del tiempo y el clima.

2.3 Factores que Influyen en los Niveles de Radiación

Los niveles de radiación varían durante el día y a lo largo del año. Se presentan los mayores niveles en el día cuando el Sol se encuentra en su máxima elevación, esto es entre las 10 a.m. y las 2 p.m. (cerca del 60% de la radiación es recibida a estas horas), mientras que cuando el ángulo del sol está más cercano al horizonte llega menos radiación a la superficie de la Tierra debido a que atraviesa una distancia más larga en la atmósfera y encuentra más moléculas de ozono, dando lugar a una mayor absorción. En zonas diferentes a los trópicos los máximos niveles se presentan en los meses de verano alrededor del mediodía. La altitud también determina la cantidad de radiación que se recibe, debido a que en zonas de alta montaña el aire es más limpio y más delgada la capa atmosférica que deben recorrer los rayos solares, de manera que a mayor altitud, mayor radiación. En promedio, por cada 1.000 metros de incremento de la altitud, la radiación aumenta entre un 10 a un 12%. Las nubes pueden tener un impacto importante en la cantidad de radiación que recibe la superficie terrestre; generalmente, las nubes densas bloquean más radiación que una nube delgada.[2] La radiación varía de acuerdo con la ubicación geográfica; sobre la zona ecuatorial los rayos solares caen más directamente que en las latitudes medias y la radiación solar resulta ser más intensa en esa área. Las condiciones de lluvia también reducen la cantidad de radiación. La contaminación trabaja en forma similar a las nubes, de tal forma que la contaminación urbana reduce la cantidad de radiación que llega a la superficie de la Tierra. La cantidad de radiación, particularmente la ultravioleta, que llega a la superficie de un lugar, está inversamente relacionada con el ozono total: a menor cantidad de ozono, mayor radiación UV ingresa a la superficie. La radiación reflejada puede producir los mismos efectos que la radiación que llega a la superficie de la Tierra. La nieve es la superficie que más refleja radiación, alcanza hasta un 80%, mientras que el concreto refleja hasta un 12%, la arena seca de playa el 15% y el agua de mar el 25%. Es necesario el conocimiento de la distribución espacial del potencial energético solar ya que facilita la identificación de regiones estratégicas en donde es más adecuada la utilización de la energía solar para la solución de necesidades energéticas. Sobre la mayor parte del territorio colombiano la incidencia de la radiación solar global tiene promedios entre 4,0 y 4,5 kWh/m2 por día, especialmente sobre la Amazonia, la Orinoquia, sectores del centro y sur de la región Pacífica y gran parte de la región Andina. Colombia, debido a su posición geográfica, es favorecida con una gran disponibilidad del recurso solar.



Las zonas que reciben mayor intensidad de radiación solar global en Colombia, entre 4,5 y 6,0 kWh/m2 por día, son: región Caribe, nororiente de la Orinoquia y sectores de los departamentos de Cauca, Huila, Valle, Tolima, Caldas, Boyacá, Santanderes, Antioquia y las Islas de San Andrés y Providencia. Los valores más altos (entre 5,5 y 6,0 kWh/m2 por día) se presentan en los departamentos de la Guajira, norte y sur del Magdalena, norte de Cesar y reducidos sectores de Atlántico y Bolívar. Las zonas con menor intensidad de radiación solar global en Colombia, menores a 4,0 kWh/m2 por día, según el estudio del Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudio Ambiental (IDEAM), se localizan en sectores de Nariño, Putumayo, Caquetá, Cauca, Tolima, Eje Cafetero, Cundinamarca, Antioquia y Santanderes. Los valores más bajos (entre 3,0 y 3,5 kWh/m2 por día) se presentan en el sur del departamento de Chocó, Altiplano Nariñense, occidente de Putumayo y pequeños sectores de Cauca, Tolima y Santander. Las siguientes figuras, Figura 2 nos ilustran la radiación solar global por día y la Figura 3 el brillo solar anual por día y la Tabla 1 promedio de brillo mensual en las principales ciudades del país respectivamente. [3]



Figura 2. Mapa de Radiación solar global por día.

Fuente: Atlas de radiación solar de Colombia, Unidad de Planeación Minero Energética UPME



Figura 3. Mapa de brillo solar anual por día.

Fuente:Atlas de radiación solar de Colombia, Unidad de Planeación Minero Energética UPME



Tabla 1. Promedio de brillo solar mensual en las principales ciudades del país respectivamente.

Fuente:Atlas de radiación solar de Colombia, Unidad de Planeación Minero Energética UPME.



2.4 Energía solar fotovoltaica

La electricidad es la forma más versátil en la que se puede consumir energía: puede ser transportada a grandes distancias desde el punto de producción al de consumo y a partir de ella se pueden alimentar todo tipo de servicios; para los equipos eléctricos y electrónicos, fundamentales para el desarrollo tecnológico, es imprescindible. La energía solar fotovoltaica es uno de los recursos energéticos más apropiados para llevar la electricidad al medio rural, a causa de las propiedades de modularidad, autonomía, bajo mantenimiento y no contaminante. La energía solar fotovoltaica es aquella que se obtiene por medio del proceso directo de transformación de la energía del sol en energía eléctrica. Esta definición de la energía solar fotovoltaica, aunque es breve, contiene aspectos importantes sobre los cuales se puede profundizar: El proceso de transformación de la energía del sol se puede llevar a cabo de dos maneras:

1. Se utiliza una parte del espectro electromagnético de la energía del sol para

producir calor. A la energía obtenida se le llama energía solar térmica. La

transformación se realiza mediante el empleo de colectores térmicos.

2. Se utiliza la otra parte del espectro electromagnético de la energía del sol

para producir electricidad. A la energía obtenida se le llama energía solar

fotovoltaica. La transformación se realiza por medio de módulos o paneles

solares fotovoltaicos.[4]

La energía solar fotovoltaica se puede utilizar para hacer funcionar lámparas eléctricas, para iluminación o para hacer funcionar radios, televisores y otros electrodomésticos de bajo consumo energético, generalmente, en aquellos lugares donde no existe acceso a la red eléctrica convencional. No obstante, para instalaciones de tamaño medio o grande, se puede plantear la utilización de la energía solar fotovoltaica de cara a la producción de energía eléctrica para su introducción en las redes de distribución y transporte eléctrico, empleando en ese caso una fuente de energía renovable y absolutamente limpia. Es necesario disponer de un sistema formado por equipos especialmente construidos para realizar la transformación de la energía solar en energía eléctrica. Este sistema recibe el nombre de sistema fotovoltaico y los equipos que lo forman reciben el nombre de componentes fotovoltaicos.



Por ende podemos definir como sistema fotovoltaico al conjunto de componentes mecánicos, eléctricos y electrónicos que concurren para captar y transformar la energía solar disponible, transformándola en utilizable como energía eléctrica. Técnicamente, las instalaciones fotovoltaicas más habituales para uso doméstico, están compuestas por un módulo, entre 30 y 100 Watts pico (Wp), una batería de plomo ácido de arranque, varias lámparas fluorescentes y una toma de corriente para radio y TV. Proporcionan un nivel de electrificación bajo desde la perspectiva del primer mundo. La producción promedio con un módulo de 50 Wp es de unos 200 Wh/día en zonas tropicales, mientras que el consumo promedio de España es de uno 7 kWh/día por vivienda, unas 35 veces superior. Sin embargo, las repercusiones socio económicas son muy importantes solo por el hecho de tener iluminación de mucha más calidad que la que proporcionan las lámparas de queroseno, de aceite o las velas.

Asimismo son muy frecuentes las instalaciones solares en centros de salud y escuelas. En el primer caso, los beneficios principales son la posibilidad de almacenar vacunas, utilizar instrumental eléctrico y mejorar los servicios de urgencia nocturnos. Pocas son las aplicaciones productivas en las que se hace uso de la electricidad solar. Algunas de uso generalizado es el bombeo de agua que se destina al consumo doméstico, para abrevar el ganado y al riego de cultivos, en menor medida, las telecomunicaciones y el alumbrado público. En el terreno del ecoturismo se está perfilando un nuevo conjunto de aplicaciones productivas en las que la electricidad solar se destina a mejorar las infraestructuras hoteleras. Esta estrategia permite abrir zonas de alto interés natural al turismo, sin que la intervención para ello dañe el entorno.

El principal objetivo de una instalación solar es conseguir la máxima producción de energía eléctrica. La cantidad de energía solar aprovechable depende de múltiples factores, algunos de ellos pueden ser controlados en el diseño e instalación (orientación, inclinación, ubicación de los módulos fotovoltaicos, etc.) y otros se escapan a toda posibilidad de control, ya que son consecuencia de la localización geográfica de la instalación y de los parámetros meteorológicos del lugar.

2.5 Tipos de instalaciones solares fotovoltaicas

En las instalaciones eléctricas solares fotovoltaicas existen varios tipos. Los más representativos son las instalaciones eléctricas aisladas de la red y las conectadas a la red eléctrica convencional.[5]

2.5.1 Instalaciones aisladas de la red eléctrica

También llamadas Stand alone / Off grid son aquellas en las que la dependencia no posee energía eléctrica de la red convencional y por tanto su consumo eléctrico



ha de ser proporcionado íntegramente por la instalación solar fotovoltaica, que almacenara la generación eléctrica solar en baterías para su uso cuando sea solicitada. Los sistemas aislados se utilizan normalmente para proporcionar electricidad a los usuarios con consumos de energía muy bajos para los cuales no compensa pagar el coste de la conexión a la red y para los que sería muy difícil conectarlos debido a su posición poco accesible: ya a partir de distancia de más de 3 km de la red eléctrica, podría resultar conveniente instalar un sistema fotovoltaico para suministrar electricidad a una vivienda. Los sistemas aislados por el hecho de no estar conectados a la red eléctrica, normalmente están equipados con sistemas de acumulación de la energía producida. La acumulación es necesaria porque el campo fotovoltaico puede proporcionar energía solo en las horas diurnas, mientras que a menudo la mayor demanda por parte del usuario se concentra en las horas de la tarde y de la noche. Es decir, la acumulación en baterías se justifica por desfases entre la oferta y la demanda. Durante la fase de insolación es, por tanto, necesario prever una acumulación de la energía no inmediatamente utilizada que es proporcionada a la carga cuando la energía disponible es reducida e incluso nula. Una configuración de este tipo implica que el campo fotovoltaico debe estar dimensionado de forma que permita, durante las horas de insolación, la alimentación de la carga y de la recarga de las baterías de acumulación. Los principales componentes que forman un sistema fotovoltaico aislado son: Módulos fotovoltaicos, regulador de carga, inversor y sistema de acumulación (baterías de acumulación).



Figura 4. Esquema de una instalación fotovoltaica aislada.

Fuente: Autor.

2.5.2 Instalaciones conectadas a la red eléctrica convencional

También llamadas Grid connected (On Grid), son aquellas en las que la dependencia posee suministro eléctrico y por tanto, la generación eléctrica de la instalación solar es destinada, íntegramente, a su venta a la red eléctrica de distribución convencional. Los sistemas conectados a la red son sencillos, solo requieren instalar los módulos fotovoltaicos, el cableado y el inversor, no precisando del uso de baterías, dado que no se presenta desfase entre la generación y el consumo. Para que las instalaciones solares fotovoltaicas resulten competitivas económicamente es necesario acceder a las ayudas que reducen el coste inicial de la instalación (subvenciones, créditos con bajos tipos de interés, desgravaciones fiscales, financiación por terceros, etc.). En estos momentos, para lograr la plena incorporación de las instalaciones fotovoltaicas en la sociedad, como una solución complementaria a los sistemas tradicionales de suministro eléctrico, es necesario superar ciertas barreras:

Administrativas: obtención del máximo apoyo de todas las administraciones

públicas.



Económicas: reducción de costes de fabricación y precio final de la

instalación.

Sociales: difusión y mentalización de la necesidad de las energías

renovables, como solución a los problemas medio ambientales y de

electrificación rural.[6]

Figura 5. Esquema de instalación fotovoltaica conectada a la red.

Fuente: Autor.

Las instalaciones solares fotovoltaicas basadas en fuentes de energía renovable, en especial las que no están conectadas a la red cuentan con los siguientes componentes:

Subsistema de captación de energía solar (Generador Fotovoltaico). Subsistema de acumulación de energía (Baterías). Subsistema de regulación (Regulador). Subsistema de adaptación del suministro eléctrico (Inversor). Subsistema de transporte de energía. Subsistema de protección.

2.6 Subsistema de captación de energía solar.

El generador fotovoltaico es el encargado de convertir la radiación solar en electricidad con unas características de tensión y corriente, que depende de la radiación, de la temperatura y de otros factores meteorológicos, así como los parámetros constructivos del mismo. El generador fotovoltaico generalmente consta de varios paneles o módulos fotovoltaicos. Los módulos o paneles solares son los elementos fundamentales de cualquier sistema solar fotovoltaico y su misión es captar la energía solar incidente para



generar una corriente eléctrica, estos constituyen un producto intermedio de la industria fotovoltaica ya que proporcionan valores de tensión y corriente muy pequeños, en comparación a los requeridos normalmente por los aparatos convencionales. Son extremadamente frágiles, eléctricamente no aisladas y carecen de soporte mecánico; por eso, una vez fabricadas, deben ser ensamblados de la manera adecuada para construir una estructura única, rígida y hermética: el panel fotovoltaico.

En el conjunto del panel fotovoltaico, las celdas o células solares deben ser iguales. Están conectadas eléctricamente entre si, en serie y/o en paralelo, de forma que la tensión y la corriente suministrada por el panel se incrementa hasta ajustarse al valor deseado. La mayor parte de los paneles solares se construyen asociando primero las células en serie hasta conseguir el nivel de tensión deseado y luego conectando en paralelo varias asociaciones serie de células para alcanzar el nivel de corriente deseado. [7]

2.6.1 Tipos de paneles solares

Los paneles fotovoltaicos son hechos principalmente de un grupo de minerales semiconductores, de los cuales el silicio, es el más usado. El silicio se encuentra abundantemente en todo el planeta porque es un componente mineral de la arena. Sin embargo, tiene que ser de alta pureza para lograr el efecto fotovoltaico, lo cual encarece el proceso de la producción de las celdas fotovoltaicas. Existe en el mercado fotovoltaico una gran variedad de fabricantes y modelos de módulos solares. Según el tipo de material empleado para su fabricación, se clasifican en:

Módulos de silicio monocristalino: son los más utilizados debido a su gran

confiabilidad y duración, aunque su precio es ligeramente mayor que los

otros tipos.

Módulos de silicio policristalino: son ligeramente más baratos que los

módulos de silicio monocristalino, aunque su eficiencia es menor.

Módulos de silicio amorfo: tienen menor eficiencia que los 2 anteriores, pero

un precio mucho menor. Además son delgados y ligeros, hechos en forma

flexible, por lo que se pueden instalar como parte integral de un techo o

pared.

Cada fabricante adopta una empaquetadura diferente al construir el panel fotovoltaico. Sin embargo, ciertas características son comunes a todos ellos, como el uso de una estructura sandwich, donde ambos lados de las celulas quedan mecanicamente protegidos.



Figura 6. Tipos de paneles solares.

Fuente: Autor

Tabla 2. Comparación entre tecnologías aplicadas a los paneles fotovoltaicos.

TIPO DE CELDA

EFICIENCIA

VENTAJAS

DESVENTAJAS Laboratorio

Producción

Silicio Monocristalino

19.1%

12 a 16%

Tecnología bien desarrollada y probada.

Estable.

Mayor eficiencia

Se fabrica en celdas cuadradas

Emplea mucho material caro.

Mucho desperdicio (casi la mitad).

Manufactura costosa.

Silicio Policristalino

8%

11 a 14%

Tecnología bien desarrollada y probada.

Estable.

Buena eficiencia.

Celdas cuadradas.

Menos costoso que el material monocristal.

Material costoso.

Mucho desperdicio.

Manufactura costosa.

Menor eficiencia que el monocristal.



Silicio Amorfo

11.5%

4 a 8%

Utiliza muy poco material.

Alto potencial y producción muy rápida.

Costo bajo afectado por los bajos niveles de insolación.

Degradación pronunciada.

Menor eficiencia.

Menor durabilidad.

Fuente: Autor

2.6.2 Conexión de los módulos

La conexión de los módulos sigue las reglas basicas de la electricidad. Los módulos se pueden conectar en serie o en paralelo, con la combinacion mas adecuada para obtener la corriente y el voltaje necesario para una determinada aplicación. Todos los paneles solares deben tener las mismas caracteristicas electricas.[8]

2.6.2.1 Conexión en serie

Este tipo de conexión se basa en conectar el terminal positivo de un módulo con el negativo del siguiente, y asi sucesivamente hasta completar la serie. Los terminales del grupo generador estarán en el terminal positivo del último módulo conectado y el negativo primero. Figura 7. Conexión de paneles en serie.

Fuente: Solar Energy International, Photovoltaics Design and Installation Manual, Ed. New Society Publisher, California, 2008



Cuando los paneles se conectan en serie la tensión resultante es la suma de todos los paneles, mientras que la intensidad será la proporcionada por uno de ellos. Si falla uno de los paneles conectados en serie, puede hacer que el conjumto deje de funcionar.Para evitar que esto suceda se conectan diodos de bloqueo que ¨puentean¨ ese módulo, haciendo que la corriente siga su camino. Normalmente se conectan módulos en serie para conseguir voltajes de 24 ó 48 voltios, en instalaciones autónomas de electrificacion y superiores, de 96 a 144 voltios, en instalaciones conectadas a la red de alimentación.

Cabe señalar que el voltaje de un módulo fotovoltaico, cuando funciona en el punto de maxima potencia, puede llegar a ser 1,4 veces el voltaje nominal, como se analizará en la 2.6.4 más adelante.

2.6.2.2 Conexión en paralelo

Este tipo de conexión consiste en conectar por un lado de los terminales positos de todos los paneles y por el otro, todos los terminales negativos. La salida del grupo generador la forman el terminal positivo del comun y el terminal negativo, tambien común.

Figura 8. Conexión de paneles en paralelo.

Fuente: Solar Energy International, Photovoltaics Design and Installation Manual, Ed. New Society Publisher, California, 2008.

Cuando los módulos se conectan en paralelo, la tension coincidirá con la que proporciona un solo módulo, pero la intensidad sera la suma de las intensidades de todos los módulos, de manera que el aumento de la potencia se basa en



mantener la potencia que puede dar un módulo y la suma de intensidades que proporcionen los módulos conectados. Normalmente sehacen conexiones en paralelo para conseguir intensidades de 20 ó 25 amperios, en instalaciones autonomas de electrificacion o de bombeo de agua y superiores en instalaciones de conexión a la red de elevada potencia. Hay que recordar que el aumento de intensidad produce un aumento de pérdidas por efecto Joule (calentamiento de los conductores) de forma cuadrática, en la forma P=R*I², lo que obliga a utilizar conductores de mayor sección para que pueden soportar intensidades elevadas, aunque siempre teniendo en cuenta que no superen aquellas establecidas en el RETIE para cada seccion de conductor.[9]

2.6.3 Caracteristicas de los paneles

Exintes varios parámetros eléctricos que definen un módulo fotovoltaico los que definen el comportamiento fotovoltaico del módulo son los siguientes:

Intensidad de cortocircuito(Icc o Isc): Se mide la corriente entre los bornes

de un panel, cuando éstos se cortocircuitan (V=0). La intensidad de

cortocircuito de un módulo es igual a la de una de las células multiplicada

por el número de filas conectadas en paralelo. Es la maxima intensidad que

se puede obtener de un panel. Experimentalmente se puede medir con el

amperímetro conectado a la salida de los bornes del módulo fotovoltaico. El

valor cambia de forma proporcional en funcion de la radiación solar a la

cual la célula o el módulo están expuestas.

Tensión nominal (VN): es el valor de la tensión a la cual trabaja el panel.

Tensión a circuito abierto (VCA o Voc): es el máximo voltaje, que se mediría

entre los bornes de un panel si se dejaran los terminales en circuito abierto

(I=0). Esta medida se toma conectando un voltímetro entre los bornes del

módulo cuando no hay carga conectada entre los extremos. El valor de la

medida puede ser mayor que el voltaje nominal del módulo, por lo que hay

que seleccionar una escala en el téster o multímetro superior a los 12 ó 24

voltios. La tensión de circuito abierto de un módulo es la de cada una de las

células por el número de las células conectadas en serie.

Intensidad de potencia máxima (IPmax): es el valor de la corriente que puede

suministrar el panel cuando trabaja a máxima potencia.

Tensión de potencia máxima (VPmax): es el valor de la tensión cuando la

potencia también es máxima, cuando el panel está suministrando la

máxima intensidad de la corriente.

Potencia máxima (PM): es el máximo valor obtenido al multiplicar la

intensidad IPmax(intensidad cuando la potencia es máxima o corriente en el



punto de máxima potencia) y VPmax(tensión cuando la potencia también es

máxima o tensión en el punto de máxima potencia). También se le llama

potencia pico del módulo o panel (WP).

2.6.3.1 Curva V-I

Todo generador tiene una curva típica para la potencia de salida en función de la corriente de carga y los paneles fotovoltaicos no son una excepción. La curva V-I de un panel proporciona, indirectamente, la relación mencionada, ya que asocia los valores de V y de I para las diferentes cargas. Si se conecta una cierta carga eléctrica al panel, el punto de trabajo vendrá determinado por la corriente I y la tensión V existentes en el circuito. Estos habrán de ser menores que los de ICC y VCA.

La potencia (P) que el panel entrega a la carga esta determinada por P=I*V. La potencia disponible en un panel fotovoltaico en un punto cualquiera de la curva se expresa en vatios.El circuito abierto se produce cuando la corriente es cero. En el punto de circuito abierto la potencia de salida es también cero, pero ahora es porque la corriente es cero. El cortocircuito se produce en un punto de la curva donde el voltaje es cero. En el punto de cortocircuito, la potencia de salida es cero, ya que el voltaje es cero.[10]

Figura 9. Curva V-I del panelET-P672 240-280W de ET-SOLAR.

Fuente: http://www.catesolar.cz/download/produkty/ET_P672(240-280w).

http://www.catesolar.cz/download/produkty/ET_P672(240-280w).pdf



2.6.3.2 Curva V-I en función de la irradiancia

El comportamiento eléctrico de un módulo varía además con la irradiancia solar., la corriente proporcionada por un módulo fotovoltaico es directamente proporcional a la energía solar recibida. La intensidad aumenta con la radiación, permaneciendo el voltaje más o menos constante, por lo tanto, habrá aumento de potencia. Figura 10. Curva V-I del panel ET-P672 240-280W, de ET-SOLAR.


2.6.3.3 Curva V-I en función de la temperatura

La exposición al Sol de las células provoca su calentamiento, lo que lleva cambios en la producción de electricidad; así, la tensión generada varía de forma inversamente proporcional a la temperatura de las células, sin que esto provoque cambios en la corriente de salida. Altas temperaturas en el módulo reducen el voltaje de 0,04 a 0,1 voltios por cada grado centígrado que sube la temperatura.[11]



Figura 11. Curva V-I/T del panel ET-P672 240-280W, de ET-SOLAR.


2.6.4 Estructuras soporte

La estructura de soporte será la encargada de mantener a los módulos a la intemperie. El diseño de la estructura se realizará para la orientación y el ángulo de inclinación especificado para el generador fotovoltaico y teniendo en cuenta la facilidad de montaje y desmontaje y la posible necesidad de sustituciones de elementos. Por ello en su diseño se debe garantizar que: Los módulos se encuentran ubicados de modo óptimo de cara a maximizar la generación de energía eléctrica a lo largo de todo el año, en lo que se refiere a orientación, inclinación y ausencia de sombras, en el caso de estructuras fijas. Los módulos se soportan sobre un objeto móvil de manera que en cada momento se sitúan en la posición óptima para que la irradiación recibida sea máxima, en el caso de estructuras móviles.

Estructuras fijas

Puede optarse por ubicar los paneles en una estructura fija, con una orientación e inclinación óptima.

http://www.catesolar.cz/download/produkty/ET_P672(240-280w).



Figura 12. Estructura fija.

Fuente:http://exa.unne.edu.ar/depar/areas/fisica/maestria/modulo2/solar/fotovol4201

La orientación ideal es sur. Debido al cambio de posición del sol durante el año, la inclinación ideal de los colectores varía en función de la latitud en la cual nos encontremos. Normalmente en el territorio colombiano se utiliza 4% de inclinación sur, pero la inclinación puede variar en función de la aplicación, criterios de uso e integración arquitectónica, en más o menos 10%.[12]

2.7 Subsistema de acumulación de energía.

Las instalaciones generadoras de energía basadas en fuentes de energía renovables, en especial las que no están conectadas a la red eléctrica, suelen necesitar un sistema de almacenamiento para hacer frente a las demandas energéticas en los periodos que no hay producción de energía. En el caso concreto de las instalaciones aisladas, la forma más común para almacenar la energía eléctrica producida se basa en el empleo de acumuladores electroquímicos o baterías, pues es el procedimiento que permite una mayor flexibilidad, tanto desde el punto de vista de almacenamiento como desde el de la posterior utilización de la energía almacenada. La fiabilidad de un sistema aislado depende en gran medida del buen funcionamiento del subsistema de acumulación.

2.7.1 Principio de funcionamiento

El funcionamiento de un acumulador está basado esencialmente en un proceso reversible llamado reducción-oxidación (también conocida como redox), un

http://exa.unne.edu.ar/depar/areas/fisica/maestria/modulo2/solar/fotovol4201



proceso en el cual uno de los componentes se oxida (gana electrones) y el otro se reduce (pierde electrones); es decir, un proceso cuyos componentes no resulten consumidos ni se pierdan, sino que meramente cambian su estado de oxidación, que a su vez puedan retornar al estado primero en las circunstancias adecuadas. Estas circunstancias son, en el caso de los acumuladores, el cierre del circuito externo, durante el proceso de descarga y la aplicación de una corriente, igualmente externa, durante la carga. Resulta que procesos de este tipo son bastante comunes, por extraño que parezca, en las relaciones entre los elementos químicos y la electricidad durante el proceso denominado electrólisis, en los generadores voltaicos o pilas. Los investigadores del siglo XIX dedicaron numerosos esfuerzos a observar y a esclarecer este fenómeno, que recibió el nombre de polarización. Un acumulador es, así, un dispositivo en el que la polarización se lleva a sus límites alcanzables y consta en general, de dos electrodos del mismo o de distinto material, sumergidos en un electrolito.[13] Será necesario tener en cuenta con respecto a la Batería:

Su tensión de operación.

La autodescarga; es decir, la pérdida de carga de la batería cuando esta

permanece en circuito abierto. Habitualmente se expresa como porcentaje

de la capacidad nominal, medida durante un mes, y a una temperatura de

25°C.

La Capacidad nominal: C20 (Ah), que es la capacidad de carga que es

posible extraer de una batería en 20 horas, medida a una temperatura de

20°C, hasta que la tensión entre sus terminales llegue a 1,8 V/vaso. Para

otros regímenes de carga se pueden usar las siguientes relaciones

empíricas:

La capacidad útil, se define como la capacidad disponible o utilizable de la

batería. Se define como el producto de la capacidad nominal y la

profundidad máxima de descarga permitida, PDMAX.

El estado de carga, definido como el cociente entre la capacidad de una

batería, en general, parcialmente descargada, y su capacidad nominal.

La profundidad de descarga (PD) se define como el cociente entre la carga

extraída de una batería y su capacidad nominal. Se expresa habitualmente

en %.

El régimen de carga (o descarga). Es el parámetro que relaciona la

capacidad nominal de la batería y el valor de la corriente a la cual se realiza

la carga (o la descarga). Se expresa normalmente en horas y se representa



como un subíndice en el símbolo de la capacidad y de la corriente a la cual

se realiza la carga (o la descarga). Por ejemplo, si una batería de 100 Ah se

descarga en 20 horas a una corriente de 5 A, se dice que el régimen de

descarga es 20 horas (C20=100Ah) y la corriente se expresa como I20=5 A.

Figura 13. Componentes de una batería.

Fuente: Ibáñez Plana Manuel, Tecnología Solar, Ed. Mundi-Prensa, Madrid, 2005.

Los equipos específicos incluidos en una instalación aislada deberán cumplir los siguientes requisitos:

Las baterías del acumulador serán de plomo-ácido. No se permitirá el uso

de baterías de arranque.

Para asegurar una adecuada recarga de las baterías, la capacidad nominal

del acumulador (en Ah) no excederá en 25 veces la corriente de

cortocircuito en CEM del generador fotovoltaico (en A). En el caso de que la

capacidad del acumulador elegido sea superior a este valor (por ejemplo,

para ampliar el número de días de autonomía), se justificará en la memoria

de solicitud.

La máxima profundidad de descarga (referida a la capacidad nominal del

acumulador) no excederá el 80% en instalaciones donde se prevea que

descargas tan profundas no serán frecuentes.

En aquellas aplicaciones en las que éstas sobredescargas puedan ser

habituales, tales como alumbrado público, la máxima profundidad de

descargas no superará el 60%.



Se protegerá específicamente frente a sobrecargas a las baterías con

electrolito gelificado de acuerdo a las recomendaciones del fabricante.

La capacidad inicial del acumulador será superior al 90% de la capacidad

nominal. En cualquier caso, deberán seguirse las recomendaciones del

fabricante para aquellas baterías que requieran una carga inicial.

La autodescarga del acumulador a 25°C, no excederá el 6% de su

capacidad nominal por mes.

La vida del acumulador (hasta que su capacidad residual caiga por debajo

del 80% de su capacidad nominal) debe ser superior a 1000 ciclos, cuando

se descarga el acumulador hasta una profundidad del 50%.

El acumulador será instalado siguiendo las recomendaciones del fabricante. En cualquier caso, deberá asegurarse lo siguiente:

El acumulador se situará en un lugar ventilado y con acceso restringido.

Se adoptarán las medidas de protección necesarias para evitar el

cortocircuito accidental de los terminales del acumulador, por ejemplo,

mediante cubiertas aislantes.

Cada batería (o vaso) deberá estar etiquetado, al menos, con la siguiente información:

Tensión nominal (V)

Polaridad de los terminales

Capacidad nominal (Ah)

Fabricante (nombre o logotipo) y número de serie.

2.7.2 Tipos de baterías

Se encuentran diferentes tipos de baterías en el mercado, basicamente se puede definir dos grandes grupos: las baterias de niquel-cadmio (Ni-Cd) y las de plomo-ácido. Las primeras presentan una cualidades excepcionales, pero debido a su elevado precio se usan con menos frecuencia. Por el contrario, las baterías de plomo-ácido en sus diferentes versiones son las más usadas para aplicaciones off-grid, adaptándose a cualquier corriente de carga, teniendo un precio razonable. Tabla 3. Tipos y características técnicas de una batería.

Tipo Energía/

peso

Tensiónporelemento

(V)

Duración

(número de

Tiempo de

carga

Auto-

descarga



recargas) por mes (%

del total)

Plomo 30-50

Wh/kg 2 V 1000 8-16h 5 %

Ni-Cd 48-80

Wh/kg 1,25 V 500 10-14h * 30%

Ni-Mh 60-120

Wh/kg 1,25 V 1000 2h-4h * 20 %

Li-ion 110-160

Wh/kg 3,16 V 4000 2h-4h 25 %

Li-Po 100-130

Wh/kg 3,7 V 5000 1h-1,5h 10%

Fuente: Autor

2.7.2.1 Batería de Pb-ácido.

Dentro de los distintos tipos de baterías eléctricas, destaca el acumulador de Pb-ácido que presenta numerosas aplicaciones. En el mercado, su interés se reduce a dos de ellas:

Las baterías para automóviles.

Las baterías para sistemas fotovoltaicos (baterías solares).

Como la diferencia en el coste de estas dos versiones es apreciable, existe siempre la tentación de usar la batería más económica (automóvil) en un sistema fotovoltaico. Para apreciar porque una batería solar representa la solución más adecuada puntualizaremos las diferencias entre las dos. El modelo de batería usado en los automóviles está diseñado para sostener corrientes elevadas (200 a 350 A) por muy breves instantes (segundos) durante el arranque del motor. El resto del tiempo la batería está siendo cargada o está inactiva. La batería de un sistema solar, por el contrario, debe ser capaz de sostener corrientes moderadas (una decena de amperes), durante horas. Además, en muchas aplicaciones, deberá permanecer activa sin recibir carga alguna (servicio nocturno). Normalmente, los periodos de reposo son nulos, ya que está siendo cargada o descargada. Diferentes requerimientos de uso solo pueden satisfacerse con diseños distintos.



Figura 14. Componentes de una batería de Plomo-ácido.

Fuente:http://www.electricasas.com/electricidad/energia-solar/fotovoltaica-energia-solar-electricidad/baterias/

2.7.2.2 Batería de Ni-Cd

Debido a su alto costo inicial (6 a 8 veces el de una batería equivalente de Pb-ácido), este diseño no ha podido suplantar al tipo Pb-ácido con electrolito líquido, Sin embargo, el costo operacional (largo plazo) es mucho menor que el de una batería de igual capacidad del tipo Pb-ácido debido a su larga vida útil y bajo mantenimiento. Existen dos métodos de fabricación para estas baterías, pero el recomendado para una batería solar es llamado de “placa compacta” (pocketplate). Este tipo de baterías usa placas de acero inoxidable, las que poseen depresiones donde se coloca el material activo. El electrolito de estas baterías es una solución de agua e hidróxido de potasio, el que requiere una capa de aceite protector, para evitar su oxidación por el oxígeno del ambiente. En términos genéricos, una batería de Ni-Cd que usa este método de fabricación tolera más abuso que su equivalente de Pb-ácido. Sus características más sobresalientes son: pueden soportar, sin daño, cargas y descargas excesivas, así como una mayor profundidad de descarga (cerca del 100%). Tienen una mayor eficiencia con baja temperatura ambiente y soportan, sin problemas, una alta combinación de temperatura y humedad ambiente. Esta última característica la convierte en la solución ideal para climas tropicales. Otras ventajas asociadas con este tipo de



batería es la ausencia de problemas similares al de la “sulfatación” de las placas o la congelación del electrolito. Una batería de Ni-Cd puede trabajar con bajo estado de carga sin deteriorarse. La autodescarga es inicialmente elevada, pero disminuye con el tiempo, permitiendo largos periodos de almacenamiento con una retención considerable de la carga inicial. La vida útil es más de dos veces la de una de Pb-ácido.[14]

Figura 15.Componentes de una batería Níquel-Cadmio.

Fuente: Ibáñez Plana Manuel, Tecnología Solar, Ed. Mundi-Prensa, Madrid, 2005.

2.8 Subsistema de regulación.

Teniendo en cuenta que la fuente de energía que se utiliza es variable y estacional, es de suma importancia disponer de un elemento que permita controlar la relación que establecen batería y sistema de generación Este componente regula el flujo de electricidad desde el punto de generación hasta las baterías (suministrándoles la tensión e intensidad adecuada al estado de carga en que éstas se encuentren) y desde las baterías a los receptores (ya sean receptores de corriente continua o de corriente alterna a través del correspondiente inversor).

2.8.1 Función

El regulador de carga es el dispositivo encargado de proteger a la batería frente a sobrecargas y sobredescargas profundas. Durante la noche el voltaje de salida de los paneles fotovoltaicos es nulo. Al amanecer, atardecer o en días nublados, el nivel de insolación es bajo y los paneles no pueden cargas las baterías. En este último caso el control de carga cumple un rol pasivo, aislando el banco de acumulación del bloque de generación, evitando su descarga. Cuando la insolación aumenta, el voltaje de los paneles supera al del banco de baterías y el



proceso de carga se reanuda. Es entonces cuando el control de carga tiene un rol activo, evitando una gasificación excesiva del electrolito.

La misión del regulador es contrarrestar la inestabilidad de la fuente primaria. Funciona como un servomecanismo, en el que se compara el valor deseado en la carga con uno de referencia y efectúa los cambios necesarios para compensar las variaciones de la fuente primaria y las debidas a la carga. Su tiempo de respuesta es finito y su error en la estabilidad es función de la ganancia del bucle de la realimentación. El regulador de tensión controla constantemente el estado de carga de las baterías y regula la intensidad de carga de las mismas para alargar su vida útil. También debe tener la capacidad de generar alarmas en función del estado de dicha carga. Los reguladores actuales introducen microcontroladores para la correcta gestión de un sistema fotovoltaico. Su programación elaborada permite un control capaz de adaptarse a las distintas situaciones de forma automática, permitiendo la modificación manual de sus parámetros de funcionamiento para instalaciones especiales. Incluso los hay que memorizan datos que permiten conocer cuál ha sido la evolución de la instalación durante un tiempo determinado. Para ello consideran los valores de tensión, temperatura, intensidad de carga y descarga y capacidad del acumulador. Regulación de la intensidad de carga de las baterías: igualación, carga profunda, flotación:

Igualación: Esta respuesta del regulador permite la realización automática

de cargas de igualación de los acumuladores tras un periodo de tiempo en

el que el estado de carga ha sido bajo, reduciendo al máximo el gaseo

(hacer que un líquido, absorba cierta cantidad de gas) en caso contrario.

Carga profunda: Tras la igualación, el sistema de regulación permite la

entrada de corriente de carga a los acumuladores sin interrupción hasta

alcanzar el punto de tensión final de carga.

Alcanzado dicho punto, el sistema de regulación interrumpe la carga y el

sistema de control pasa a la segunda fase, la flotación. Cuando se alcanza

la tensión final de carga, la batería ha alcanzado un nivel de carga próximo

al 90% de su capacidad, en la siguiente fase se completará la carga.

Carga final y flotación: La carga final del acumulador se realiza

estableciendo una zona de actuación del sistema de regulación dentro de lo

que se denomina “banda de flotación dinámica”. La BFD es un rango de

tensión cuyos valores máximos y mínimos se fijan entre la tensión final de

carga y la tensión nominal +10% aproximadamente. Una vez alcanzado el

valor de voltaje de plena carga de la batería, el regulador inyecta una

corriente pequeña para mantenerla a plena carga, esto es, inyecta la



corriente de flotación. Esta corriente se encarga por tanto de mantener la

batería a plena carga y cuando no se consuma energía se emplea en

compensar la autodescarga de las baterías.[15]

2.8.2 Tipos de reguladores de carga

La selección de un regulador de carga está determinada por los parámetros eléctricos del sistema (voltaje y amperaje de trabajo), los detalles de diseño (uno o más bloques de carga, tipo de batería y montaje mecánico más conveniente) y por las opciones ofrecidas por el fabricante (funciones auxiliares). Existen dos tipos de reguladores de carga: los lineales y los conmutados.

Reguladores lineales

Operan con corriente continua a la entrada.

Equivalen a una resistencia con valor de ajuste automático.

Basan su funcionamiento en la caída de tensión en elementos disipativos.

Tienen un bajo rendimiento.

Reguladores conmutados

Incorporan un conmutador que interrumpe la corriente en la fuente en

intervalos de duración variable.

Tienen un rendimiento elevado.

Los numerosos modelos de regulador lineal ofrecidos en el mercado pueden ser agrupados en dos categorías: controles en serie y controles en paralelo. Esta clasificación está relacionada con el paso que toma la corriente de carga, respecto al banco de baterías, cuando el control comienza a restringir la gasificación. En un control en paralelo, cuando el voltaje de batería alcanza un valor predeterminado (batería cargada) la corriente de los paneles es desviada a un circuito que está en paralelo con el banco de baterías. Cuando el voltaje de batería baja por debajo de un valor mínimo, predeterminado por el fabricante, el proceso de carga se establece nuevamente. Tanto en el control en paralelo, como en el control en serie, el máximo valor de la corriente de carga está determinado por la diferencia entre el voltaje de salida de los paneles y el de baterías. En el control en paralelo la corriente de carga existe o se anula totalmente. En el control en serie, dependiendo del diseño, se tiene un proceso similar o de valor variable. Los primeros controladores de carga eran del tipo paralelo y ejercían un control muy rudimentario. Cuando el voltaje de batería alcanzaba un valor considerado como el de carga completa, la corriente de los paneles era desviada a un circuito



paralelo, el que tenía una resistencia fija (dummy load). Esta disipaba en forma de calor, la energía eléctrica proporcionada por el bloque de generación. Existen diferentes criterios de diseño para los controles en serie, dependiendo de lo que el fabricante considera el control óptimo de la corriente de carga. Sin embargo, en todos ellos existen dos características que le son comunes:

Alternan periodos activos de cargas con periodos de inactividad.

La acción del circuito de control depende del estado de carga del banco de

baterías.

Durante el periodo activo algunos modelos usan un voltaje de carga de

valor constante, mientras que en otros éste valor está limitado por la

diferencia de voltaje entre los paneles y las baterías.

La configuración del regulador de carga en serie suele utilizarse cuando la

carga es grande. La configuración del regulador de carga en paralelo suele

utilizarse cuando la carga es pequeña.

En este caso el circuito está autoprotegido frente a cortocircuitos.

Figura 16. Diagrama de regulador en serie y paralelo.

Fuente: Autor En la Figura 16 se pueden ver los diagramas de bloques de un regulador en serie y un regulador en paralelo, respectivamente. Las diferencias esenciales entre el regulador de carga en serie y en paralelo son las siguientes: - El regulador en paralelo impide que las variaciones de la corriente de carga aparezcan en la primera fuente aislándose la carga de la misma, lo que es bueno para frecuencias elevadas. La energía disipada, en forma de calor, en el regulador en serie aumenta en proporción directa con la carga, mientras que en el regulador paralelo disminuye al aumentarla. - El regulador en paralelo tiene un elemento más, RS, que evita la rotura del regulador si falta la carga. Además este elemento disipa calor, por lo que para una entrada y salida determinadas y una carga idéntica, la potencia entregada por la



primera fuente de un regulador paralelo es mayor que la entregada en la del regulador en serie.

- El regulador paralelo tiene un rendimiento inferior al regulador en serie. A medida que el voltaje de batería se acerca al de flotación, la corriente de carga disminuye hasta que se anula al abrirse el interruptor en serie. Cuando esto ocurre, el voltaje de batería baja. Cuando alcanza un mínimo de diseño, el interruptor se cierra, repitiendo la secuencia. Cuando la disminución en el voltaje es despreciable (batería cargada) el control permanece abierto. El valor del voltaje de flotación, dependiendo del modelo, puede ser fijo (determinado por el fabricante) o ajustable por el usuario, dentro de un reducido rango. En esta última opción puede ser útil si se tiene instrumental de medida adecuado para el ajuste y se conoce en detalle las características de la batería o conjunto de baterías.[16]

2.8.3 Características esenciales de los reguladores de carga

Las características esenciales con las que cuenta los reguladores de carga con:

Indicadores de estado. Protecciones típicas. Señalizaciones habituales. Parámetros de diseño. Parámetros que determinan la operación.

2.8.3.1 Indicadores de estado

Desconexión del consumo por baja tensión de baterías: La desconexión de la salida de consumo por baja tensión de batería indica una situación de descarga del acumulador próxima al 70% de su capacidad nominal. Si la tensión de la batería disminuye por debajo del valor de tensión de maniobra de desconexión de consumo durante más de un tiempo establecido, se desconecta el consumo. Esto es para evitar que una sobrecarga puntual de corta duración desactive el consumo. La tensión de desconexión del consumo es la tensión de la batería a partir de la cual se desconectan las cargas de consumo. Alarma por baja tensión de batería: La alarma por baja tensión de batería indica una situación de descarga considerable. A partir de este nivel de descarga las condiciones del acumulador empiezan a ser comprometidas desde el punto de vista de la descarga y del mantenimiento de la tensión de salida frente a intensidades elevadas. Esta alarma está en función del valor de la tensión de desconexión de consumo (siempre se encontrará 0,05 V/elemento por encima). Si la tensión de la batería disminuye por debajo del valor de la alarma durante más de un tiempo determinado (unos 10 s aproximadamente) se desconecta el consumo. El regulador entra entonces en la fase de igualación y el consumo no se



restaurará hasta que la batería no alcance media carga. Además, normalmente se incluye una señal acústica para señalizar la batería baja.

2.8.3.2 Protecciones típicas

Contra sobrecarga temporizada en consumo.

Contra sobretensiones en paneles, baterías y consumo.

Contra desconexión en batería.

2.8.3.3 Señalizaciones habituales

Indicadores de tensión en batería.

Indicadores de fase de carga.

Indicadores de sobrecarga/cortocircuito.

2.8.3.4 Parámetros para el diseño

Tensión nominal: la del sistema (12, 24, 48 V).

Intensidad del regulador: la intensidad nominal de un regulador debe ser

mayor que la recibida en total del campo de paneles FV.

2.8.3.5 Parámetros que determinan la operación

- Intensidad máxima de carga o de generación: Máxima intensidad de corriente procedente del campo de paneles que el regulador es capaz de admitir.

- Intensidad máxima de consumo: Máxima corriente que puede pasar del sistema de regulación y control al consumo.

- Voltaje final de carga: Voltaje de la batería por encima del cual se interrumpe a la conexión con el generador fotovoltaico y la batería, o reduce gradualmente la corriente media entregada por el generador fotovoltaico. Es aproximadamente, 14.1 para una batería de Pb-ácido de tensión nominal 12 V.

El regulador de carga deberá estar etiquetado con al menos la siguiente información:

Tensión nominal (V)

Corriente máxima (A)

Fabricante (Nombre o logotipo) y número de serie

Polaridad de terminales y conexiones



2.9 Subsistema de adaptación del suministro de adaptación del suministro eléctrico.

La misión del subsistema de adaptación consiste en hacer compatibles entre sí las características eléctricas (tensión, intensidad, frecuencia…) de los diferentes subsistemas que comprenden la instalación aislada, incluidos los receptores. El inversor es el elemento que convierte la corriente continua en corriente alterna. Las características que definen al inversor son:

VRMS: Valor eficaz de la tensión alterna de salida.

La potencia nominal: Potencia máxima, especificada por el fabricante, que

el inversor es capaz de entregar de forma continúa.

La capacidad de sobrecarga: Habilidad del inversor para entregar mayor

potencia que la nominal durante ciertos intervalos de tiempo.

El rendimiento del inversor: Relación entre la potencia de salida y la

potencia de entrada del inversor. Depende de la potencia de operación.

Factor de potencia: Cociente entre la potencia activa (W) y la potencia

aparente (VA) a la salida del inversor.

Distorsión armónica total: THD (%). Parámetro utilizado para indicar el

contenido armónico de la onda de tensión de salida y se define como:

Donde es el armónico fundamental y el armónico n-ésimo.

A continuación se enumeran los requisitos técnicos que deben cumplir los inversores, siendo de aplicación para los inversores monofásicos o trifásicos que funcionan como fuente de tensión fijas (Valor eficaz de la tensión y frecuencia de salida fijos). Para otros tipos de inversores se asegurarán requisitos de calidad equivalentes.

1. Se recomienda el uso de inversores de onda senoidal, aunque se permitirá

el uso de inversores de onda no senoidal, si su potencia nominal es inferior

al 1 kVA, no producen daño a las cargas y aseguran una correcta operación

de éstas.

2. Como norma general, los inversores se conectarán a la salida de consumo

del regulador de carga. Si esto no es posible por alguna incompatibilidad

(por ejemplo, diferentes potencias de operación) se permitirá la conexión

directa del inversor al acumulador y se asegurará la protección del mismo

frente a sobredescargas.



3. El inversor debe asegurar una correcta operación en todo el margen de

tensiones de entrada permitidas por el sistema.

4. La regulación del inversor debe asegurar que la tensión y la frecuencia de

salida estén en los siguientes márgenes en cualquier condición de

operación:

VNOM +15%/-10%, siendo VNOM: 220VRMS ó 230 VRMS

60 Hz ±2%

5. El inversor será capaz de entregar la potencia nominal de forma continua

en el margen de temperatura ambiente especificado por el fabricante.

6. El inversor debe arrancar y operar cualquier carga, especialmente aquellas

que requieren elevadas corrientes de arranque (TV, motores, etc.), sin

interferir en su correcta operación y en el resto de cargas.

Los inversores estarán protegidos frente a las siguientes situaciones:

Tensión de entrada fuera del margen de operación.

Operación sin batería.

Corto circuito en la salida de corriente alterna.

Sobrecargas que excedan la duración y límites permitidos.

El autoconsumo del inversor, en condiciones normales de operación (es decir, generando la onda de tensión en vacio será menor o igual al 2% de la potencia nominal de salida. Las pérdidas de energía diaria ocasionadas por el autoconsumo del inversor serán inferiores al 5% del consumo diario de energía. Se recomienda que el inversor tenga un sistema de “stand by” para reducir éstas pérdidas cuando el inversor trabaja en vacio (sin carga). El rendimiento del inversor con cargas resistivas será superior a los límites especificados en la Tabla 4.

Tabla 4. Rendimiento en inversores

Tipo de inversor Rendimiento al 20% de

la potencia nominal Rendimiento a potencia

nominal

Onda senoidal1

Onda no senoidal

Fuente: Autor



Se recomienda que los inversores sean de onda senoidal si la distorsión armónica total de la tensión de salida es inferior al 8% cuando el inversor alimenta cargas lineales, desde vacio a potencia nominal.

Figura 17. Diagrama de conexión.

Fuente: Autor

Los inversores deberán estar etiquetados al menos con la siguiente información:

Potencia nominal (VA)

Tensión nominal de entrada (V)

Tensión (VRMS) y frecuencia (Hz) nominales de salida

Fabricante (Nombre o logotipo) y número de serie

Polaridad y terminales

2.9.1 Cargas de consumo

En lo que se refiere a las cargas de consumo, dadas las características del suministro, se recomienda utilizar electrodomésticos de alta eficiencia. Por ello se utilizarán lámparas fluorescentes, preferiblemente de alta eficiencia. No se permitirá el uso de lámparas incandescentes. Las lámparas fluorescentes de corriente alterna deberán cumplir la normativa al respecto. Se recomienda utilizar lámparas que tengan corregido el factor de potencia y luminarias led. En ausencia de un procedimiento oficial de homologación de lámparas fluorescentes de continua, estos dispositivos deberán verificar los siguientes requisitos:

La lámpara debe asegurar un encendido seguro en el margen de tensiones

de operación y en todo el margen de temperaturas ambiente previstas

La lámpara debe estar protegida cuando:



Se invierte la polaridad de la tensión de entrada

La salida es cortocircuitada

Opera sin tubo

La potencia de entrada de la lámpara debe estar en el margen de +-10% de

la potencia nominal

El rendimiento luminoso de la lámpara debe ser superior a .

La lámpara debe tener una duración mínima de 5000 ciclos cuando se

aplica el siguiente ciclado: 60 segundos encendido / 150 segundos

apagado.

Las lámparas no deben producir interferencias electromagnéticas.

2.9.2 Tipos de inversores.

Actualmente existen dos grandes grupos de inversores, los autoconmutados y los conmutados de línea.

Los inversores conmutados de línea usan interruptores basados en

tiristores, que son dispositivos electrónicos de potencia que pueden

controlar el tiempo de activación de la conducción, pero no el tiempo de

parada. Para detener la conducción precisan de una fuente o circuito

adicional que reduzca hasta cero la corriente que lo atraviesa.

Los inversores autoconmutados usan dispositivos de conmutación que

controlan libremente los estados de conducción y no conducción del

interruptor, como son los transistores IGBT y MOSFET.

Los inversores autoconmutados se dividen en inversores en fuente de corriente (CSI) y en inversores en fuente de tensión (VSI). En el caso de sistemas fotovoltaicos, la salida en corriente continua del equipo solar es la fuente de tensión del inversor, por lo que los inversores empleados en estas aplicaciones son VSI. Las nuevas tecnologías basadas en convertidores multinivel se han ido abriendo paso en el campo de las aplicaciones fotovoltaicas con conexión a la red, y actualmente se presentan en el área de las aplicaciones de media y alta tensión como una alternativa de peso a los convertidores de dos niveles tradicionales. La tecnología multinivel se basa en la síntesis de la tensión alterna de salida a partir de la obtención de varios niveles de tensión del bus de continua. Cuanto mayor es el número de niveles de tensión de entrada continua, mas escalonada es la forma de onda de la tensión de salida, de modo que tiende cada vez más a una onda senoidal, minimizándose así la distorsión armónica. [17]



Figura 18. Inversor Autoconmutado.

Fuente: http://enegiacasera/string/conegyIPG.html

Actualmente los inversores tradicionales de dos niveles son los únicos fabricados para aplicaciones estrictamente fotovoltaicas. En el campo de las fuentes de energía distribuida, los inversores multinivel, en especial los de tres niveles, se han presentado como una buena solución de rendimiento y coste en la generación de energía eólica. El éxito de los inversores de tres niveles para soluciones eólicas de media tensión ha fomentado el estudio para su aplicación en sistemas fotovoltaicos con conexión a la red.

Las principales ventajas que presenta un inversor de tres niveles frente al inversor de dos niveles convencionales son las siguientes:

Permiten trabajar con niveles medios de tensión utilizando dispositivos de

baja tensión, ya que estos dispositivos solo están sometidos a la mitad de

la tensión que reciben por la entrada de corriente continua.

Permiten trabajar con niveles mayores de potencia, ya que los dispositivos

están sometidos a menos estrés.

Reducen la distorsión armónica de las formas de onda en la parte de

alterna, con lo que los filtros de salida son menores y la respuesta dinámica

más rápida.

No obstante, la experiencia práctica revela ciertas dificultades técnicas que complican su aplicación en convertidores de alta potencia. Las principales limitaciones que presenta son que al aumentar el número de niveles se incrementa la complejidad del control y que introduce problemas de desequilibrio en las tensiones de los condensadores del bus de continua.

http://enegiacasera/string/conegyIPG.html



2.9.3 Requisitos para el inversor en el sistema fotovoltaico

Las características básicas de los inversores serán las siguientes:

Su principio de funcionamiento será autoconmutado con fuente de corriente

(tipo VSI).

Dispondrá de sistema de seguimiento automático del punto de máxima

potencia del generador.

No funcionará en isla o modo aislado.

Desde el punto de vista de la seguridad, los inversores cumplirán con las normas de Seguridad Eléctrica y compatibilidad electromagnética (Ambas serán certificadas por el fabricante) incorporando protecciones frente a:

Cortocircuitos en alterna.

Tensión de red fuera de rango.

Frecuencia de red fuera de rango.

Sobretensiones mediante varistores o similares

Perturbaciones presentes en la red como microcortes, pulsos, defectos de

ciclos, ausencia y retorno de la red, etc.

Cada inversor dispondrá de las señalizaciones necesarias para su correcta operación e incorporará los controles automáticos imprescindibles que aseguren su adecuada supervisión y manejo. En lo que respecta a su manejo, cada inversor incorporará, al menos, los controles manuales siguientes:

Encendido y apagado general del inversor

Conexión y desconexión del inversor a la interfaz AC.

2.10 Subsistema de transporte de la energía eléctrica

El transporte de la energía eléctrica se realiza a través de los distintos subsistemas de una instalación aislada mediante canalización (líneas) eléctricas, generalmente cables fabricados a partir de conductores de sección circular o agrupación de estos, constituyendo así el subsistema de transporte de la energía eléctrica. Los criterios a tener en cuenta a la hora de diseñar este subsistema son, en esencia, los mismos que en cualquier instalación eléctrica de baja tensión. Es decir, deben establecerse:

El tipo de cable.

El modo de la instalación del cable.

La sección de los conductores.



Todo el cableado cumplirá con lo establecido en la legislación vigente.

Los conductores necesarios tendrán la sección adecuada para reducir las caídas de tensión y calentamientos. Concretamente, para cualquier condición de trabajo, los conductores de la parte DC deberán tener la sección suficiente para que la caída de tensión sea inferior, incluyendo cualquier terminal intermedio, a los valores especificados a continuación (referidos a la tensión nominal continua del sistema):

Caídas de tensión máxima entre generador y regulador/inversor: 3%

Caídas de tensión máxima entre regulador y batería: 1%

Caídas de tensión máxima entre inversor y batería: 1%

Caídas de tensión máxima entre regulador e inversor: 1%

Caídas de tensión máxima entre inversor/regulador y cargas: 3%

Se incluirá toda la longitud de cables necesaria (parte continua y/o alterna) para cada aplicación concreta evitando esfuerzos sobre los elementos de la instalación. Los positivos y negativos de la parte continua de la instalación se conducirán separados, protegidos y señalizados (códigos de colores, etiquetas, etc.) de acuerdo a la normativa vigente. Los cables de exterior estarán protegidos contra la intemperie.

2.11 Subsistema de protección.

El funcionamiento de una instalación de una manera fiable y segura, precisa de dispositivos que realicen la protección adecuada a dicha instalación. Protecciones y puesta a tierra Todas las instalaciones con tensiones nominales superiores a 48 V contarán con una toma de tierra a la que estará conectada, como mínimo, la estructura soporte del generador y los marcos metálicos de los módulos. Las masas de todas las cargas de alterna, si las hubiere, estarán conectadas a tierra. El sistema de protecciones asegurará la protección de las personas frente a contactos directos e indirectos. La puesta tierra de las masas y el uso de interruptores diferenciales están particularmente recomendados. La instalación debe estar protegida frente a cortocircuitos, sobrecargas y sobretensiones. Debe prestar especial atención a la protección de la batería frente a cortocircuitos mediante un fusible disyuntor magneto térmico u otro elemento que cumpla con esta función.[18]



Figura 19. Sistema de protección de puesta a tierra

Fuente: Photovoltaics Design and Installation Manual, Ed. New Society Publisher, California, 2008.

2.12 Metodología de Diseño para una instalación de Energía Solar

Después de una revisión de varias metodologías, hemos decidido que ésta es la metodología a utilizar. Esta revisión se aplicó en todos los diseños de energías renovables.

Criterios de diseño

Criterio Ubicación: Este criterio hace referencia a la posición geográfica de la región, sus recursos y posibilidades de acceso.

Criterio de Recursos: Es donde se verifica si los recursos que posee la región son suficientes para satisfacer las necesidades energéticas de la población.

Criterios Técnicos: Definidos los anteriores criterios, se procede a elegir la metodología y elementos necesarios para una solución eficiente, que favorezca el medio ambiente y el servicio sea óptimo.

APLICACIÓN DE CRITERIOS EN VEREDA EL TRIQUE MUNICIPIO PUERTO BOYACÁ - BOYACÁ

2.12.1 Criterio de Ubicación

Las diferentes regiones por su cercanía tienen condiciones similares, ya sean climáticas, posición geográfica y las necesidades de sus habitantes. Se enfatiza en una región en la cual se incluyan el mayor número de factores de las ZNI. Por esta razón se escoge un sector del departamento de Boyacá, y en específico la vereda de EL TRIQUE, por ser una vereda que cuenta con multiplicidad de recursos y que a su vez brinda disponibilidad del recurso fotovoltaico necesario



para la producción de electricidad. Esta vereda tiene como coordenadas: latitud 5°55” y una longitud de 74°35” de ubicación, en la Figura 20 podemos observar la ubicación de la vereda. Figura 20. Trayectoria a la vereda El Trique

Fuente: Google Earth

2.12.2 Criterio de recursos

Debido al potencial solar y a lo remoto de esta población (que a su vez la convierte en una ZNI), es atractivo para el desarrollo del proyecto.

2.12.3 Criterios Técnicos y Procedimiento:

A continuación se exponen los tópicos que se trabajaron para el diseño de la instalación fotovoltaica en estudio.

- Estudio de las necesidades básicas en corriente continua y en corriente alterna.

- Evaluación del aporte solar (radiación) solar incidente sobre la ubicación de la casa y las horas de brillo solar.

- Determinación del panel fotovoltaico a utilizar. - Dimensionado del número de paneles que se van a utilizar (número de

paneles en serie y en paralelo). - Dimensionado del subsistema de acumulación de energía (baterías). - Dimensionado del subsistema de regulación. - Dimensionado del subsistema de adaptación de suministro eléctrico

(inversor).



- Dimensionado del subsistema de transporte de energía eléctrica y del subsistema de protección

2.12.3.1 Estudio de las necesidades en corriente continua y en corriente alterna

Para el estudio de la necesidad presentada en los usuarios ubicados a 13.37 km de la zona urbana de Puerto Boyacá, es necesario definir inicialmente la potencia total demandada para alimentar las cargas requeridas de corriente continua y corriente alterna. Dado esto se determinará la demanda total de energía que debe ser cubierta por el diseño de la instalación fotovoltaica. Tabla 5. Descripción de las Necesidades en C.C.

EQUIPOS No. DE EQUIPOS

POTENCIA P(W)

HORAS H/día

ENERGÍA EN C.C. kWh/día

Lámparas fluorescentes

especiales 5 20 4 0,4

Bombillas de baja potencia

4 20 4 0,32

Energía Total en C.C. 0,72

Fuente: Autor

Tabla 6. Descripción de las Necesidades en C.A.

EQUIPOS No. DE

EQUIPOS POTENCIA

P(W) HORAS

H/día ENERGÍA EN C.C.

kWh/día

Televisor 1 90 4 0,36

Grabadora 2 15 4 0,12

DVD 1 20 2 0,04

Energía Total en C.A. 0,52

Fuente: Autor Determinación de la carga de consumo diaria Cd por día.

Cd=Ed/Vtr (Ah) Dónde:

Vtr=Tensión de suministro de la batería a los consumos Ed=Energía que se consume al día, evaluada según:



Para determinar cada uno de los factores que se encuentran en la fórmula anterior

se necesita conocer la potencia de funcionamiento de cada aparato Pi, y estimar el tiempo en horas de funcionamiento al día ti, entonces se evalúa la energía Ei en Wh que cada día consume con la siguiente ecuación:

Ei=Pi*ti (Wh) Una vez determinados los consumos de cada aparato se calcula la energía que se consume al día por la siguiente sumatoria:

SOLUCIÓN Energía consumida en corriente directa por día

ELámparas=20W*4h ELámparas=80Wh

EBombillas=20W*4h

EBombillas=80Wh

EiCC= EBombillas+ELámparas

EiCC=80Wh+80Wh EiCC=160Wh

Energía consumida en corriente alterna por dia

ETelevisor=90W*4h ETelevisor=360Wh

EGrabadora=15W*4h

EGrabadora=60Wh

EDVD=20W*2h EDVD=40Wh

EiCA= ETelevisor+ EGrabadora + EDVD

EiCA= 360Wh+60Wh+40Wh



EiCA= 460Wh Energía total consumida a diario

Ed =160Wh+460Wh/0.8=735Wh Carga de consumo diario

Cd =735Wh/12V=61.25Ah

2.12.3.2 Evaluación del aporte solar incidente sobre la ubicación

Se investiga y se verifica que los recursos que posee la región sean suficientes para satisfacer las necesidades energéticas de la población, obteniendo como resultado que el mes más desfavorable de recurso solar es el mes de Junio con 5.03 kWh/m2 como se puede observar en la Figura 21, con el cual se debe realizar la aplicación de la metodología.

Figura 21. Recurso solar

Fuente: http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/RETScreen/



2.12.3.3 Determinación del Panel Fotovoltaico a utilizar

Características

Celdas monocristalinas de alta eficiencia.

Tolerancia de potencia 6.5%.

Celdas laminadas entre capas de EVA y vidrio templado de 3 mm.

Marco de alta resistencia en aluminio anodizado.

Caja de conexión IP54 (sólo tipo U), diodos preinstalados. Garantía

20 años sobre generación de potencia

1 año contra defectos de fabricación Ref. Del panel solar fotovoltaico W1600/160

Tensión nominal de la instalación Vn (Voltios)=12 V

Tensión nominal de los paneles Vm (Voltios)=12 V

Potencia nominal de los paneles Pm (Watts)=85 W

Tensión a circuito abierto VOC (Voltios)=17.6V

Intensidad nominal de los paneles IP (Amperios)=4.8 A

Intensidad de corto circuito de los paneles ICC (Amperios)=5.2

2.12.3.4 Dimensionado del número paneles (NT)

EG=PPG*H.S.P (Wh)

En la que:

: Es la potencia pico de generador definida ya por ; donde

es la potencia pico del módulo y NT el número de módulos. Número de paneles en paralelo

Np=61.25Ah4.8A*4h

Np 3 9



Donde H.S.P son las horas Sol pico, concepto teórico que indica el número de horas de Sol. Con una intensidad de radiación de 1.000 w/m2 incidiendo perpendicular sobre la superficie del módulo, que tendría un día imaginario en el que el modulo recibiría la misma energía que en un día real.

Número de paneles en serie

Ns=Vtr/VM

2.12.3.5 Dimensionado del subsistema de acumulación de energía (baterías)

Pf= Profundidad máxima de descarga ocasional en tanto por uno. Tabla 7. Tipo de baterías y Profundidad máxima de descarga (Pf)

Tipo de batería Profundidad máxima de descarga ocasional

en tanto por uno

Estacionaria plomo/ácido 0.6

Arranque plomo/ácido 0.4

Sin mantenimiento plomo/ácido

0.5

Alcalina Cd/Ni 1 Fuente: Autor

CB=61.25*3/0.6

CB=306.25 Ah Calculada la capacidad de la batería, entonces, el número de vasos o elementos en serie se establece por:

Nelem,serie=Vtr/Velemento

Nelem,serie=12/6 Nelem,serie=2



Para evitar que se produzcan ciclos de descarga largos diarios mayor a los admitidos por el fabricante al objeto de que la batería tenga una vida útil aceptable, debe comprobarse que la capacidad determinada sea superior a la mínima necesaria para que la batería no se descargue a diario más de la profundidad admisible según el tipo de acumulador. Debe cumplirse que:

Donde la profundidad de descarga diaria se refleja en tanto por uno y la falta del dato del fabricante.

Tabla 8. Profundidad de descarga diaria

Tipo de batería Profundidad de descarga diaria admisible en tanto por uno

Estacionaria Pb/ácido 0.2

Arranque Pb /ácido 0.2

Sin mantenimiento Pb /calcio 0.15

Alcalina 1 Fuente: Autor

3 6 6 /0.2

3 6 3 6

Características de corriente del relé que interrumpe o permite el paso de corriente de los módulos a la batería

3

Condiciones de funcionamiento de la instalación - Consumo medio diario de la instalación en Wh (Ed) para el mes de diseño (el más desfavorable). Este valor calculado a partir de los consumos de los equipos en corriente continua y alterna, incluyendo los rendimientos del inversor y del regulador.

- Autonomía (A): Sería el máximo número de días seguidos que la instalación es capaz de satisfacer el consumo de electricidad en condiciones completamente



desfavorables; es decir, a expensas de las baterías sin producción de energía en los paneles. A partir de los parámetros anteriores se procede a dimensionar el campo de baterías. - La capacidad disponible (útil) del campo de baterías Cu, tiene que asegurar que satisface las necesidades diarias de consumo para el número de días de autonomía establecido. Por cuestiones de seguridad se puede aumentar esa capacidad en un 10%.

- La capacidad se expresa normalmente en Ah, por lo que habrá que dividir el valor en Wh por la tensión nominal de la instalación (Vn):

- La capacidad nominal del campo de baterías se calcula a partir de la

capacidad disponible en función de la profundidad de descarga máxima

permitida :

- Es necesario imponer una restricción en el tamaño o capacidad del sistema acumulador con el fin de evitar que las corrientes de carga resulten excesivamente bajas para el tipo de baterías escogido. Por lo tanto la capacidad total del sistema de baterías se encontrará en el intervalo siguiente:

Donde es la corriente de cortocircuito del sistema generador, que

vendrá dado por el número de ramas de paneles fotovoltaicos conectados en paralelo y la corriente de cortocircuito en Condiciones estándar de Medidas (CEM)

de los paneles .

- El número de baterías que forman el campo acumulador vendrá dado por la

relación entre la capacidad nominal total del campo y la de la batería escogida:



- Los acumuladores se conectan entre sí, de forma que la tensión del campo de baterías sea la de diseño del campo generador. Las baterías pueden formar grupos de baterías, de forma que dentro de cada grupo se conecten en serie, mientras que los grupos se conectan en paralelo. El número de baterías que forman cada grupo es:

Dónde:

= Tensión nominal de la instalación en Voltios. = Tensión nominal de las baterías en Voltios.

Consideración equivalente a la indicada en el cálculo de número de grupos en paralelo, por cuanto el número de grupos en paralelo vendrá determinado por la capacidad de acumulación total que se quiere conseguir. Otras características que hay que tener en cuenta a la hora de decidir el lugar en el que irán ubicadas las baterías son sus dimensiones y pesos. En el mercado existe una gran variedad de baterías. En la Tabla 9 se muestran algunos valores de dimensiones y pesos para diferentes capacidades. Tabla 9. Dimensiones y pesos de baterías

Tensión (V)

Capacidad (Ah)

DIMESIONES

(mm)

Peso (Kg)

Largo Ancho Alto

Baterías Monoblock

12 60 258 166 235 24

12 65 355 167 183 22.2

12 80 355 167 183 24

12 100 330 171 227 32

Vasos

2 200 171 106 367 15

2 300 171 151 367 21

2 400 210 173 367 28

2 500 241 171 367 33

Fuente: Autor Cálculo de la capacidad disponible útil del campo de baterías:



3 3

Cálculo de la capacidad nominal del campo de baterías:

6 93

La capacidad total del sistema de baterías se encuentra en el siguiente intervalo para que las corrientes de carga no resulten excesivamente bajas.

6 93

6 93 3 3

6 93 39 Cálculo del número de baterías que forman el campo acumulador:

6 93

6

Cálculo del número de baterías que forman el grupo:



El número de grupos en paralelo sería:

2.12.3.6 Dimensionado del subsistema de regulación

Una vez conocido el número de módulos fotovoltaicos y la capacidad de los acumuladores, el dimensionado del regulador consistirá en elegir un equipo en el mercado que se adapte al resto de parámetros eléctricos de los componentes de la instalación.

El regulador debe asegurar las siguientes funciones:

Proteger a la batería frente a la sobrecarga y a la sobre descarga.

Disponer de alarmas de baja carga de la batería y de aumento de la carga

manuales y que se activen automáticamente cuando se alcancen los

valores de consigna.

Reconexión automática o manual.

Los principales requisitos que deberá cumplir el regulador serán:

El regulador deberá estar parado para que se desconecte de la carga

cuando se alcance la máxima profundidad de descarga.

El voltaje fin de carga debe estar en el rango 3 .

La reconexión a la carga debería ser (ó 0,5 V para 12 V)

superior al voltaje de desconexión de la carga.

Los voltajes de desconexión y reconexión deben tener una precisión de

y mantenerse constante en todo el rango posible de variación de

temperatura.



La intensidad del regulador se dimensionará, para el voltaje del campo de

paneles seleccionado, como el cociente entre la potencia en , del campo

de paneles y el voltaje en el punto de máxima potencia del campo de

paneles.

Solución

63 96

6

3

6

9 3

2.12.3.7 Dimensionado del subsistema de adaptación de suministro eléctrico (inversor)

El cálculo del inversor de manera general no está sujeto a ninguna ley en particular, la elección de éste depende fundamentalmente del tipo de carga que será alimentada en corriente alterna de la instalación, por lo que la potencia nominal del inversor estará determinada por la carga conectada más un 10% de reserva.

9

9

9

9

6

Cálculo del número de inversores:



6

2.12.3.8 Dimensionado del subsistema de transporte de energía eléctrica y del subsistema de protección

En el dimensionado del subsistema de transporte de energía hay que tener en

cuenta que se deben hacer por separado los cálculos de los alimentadores de

corriente continua y alterna.

Cálculo de corriente del circuito alimentador en corriente continua La cantidad calculada de potencia igual a 40 VA como demanda máxima, es la necesaria para energizar la carga conectada en corriente continua. Como la tensión del sistema es de 12 V y la demanda máxima es 40 VA, la corriente que circula por el alimentador será la división de estos valores:

3 33

En este caso toda la corriente circula por una sola fase y regresa por el conductor puesto a tierra, es decir, los dos conductores se consideraran como activos (energizados o portadores de corriente). Del cálculo de la corriente por el alimentador se determina que se debe emplear una protección tipo fusible con un valor de 4 A o la inmediata superior disponible en el mercado. Cálculo de corriente del circuito alimentador en corriente alterna

La cantidad calculada de potencia igual a 125 VA como demanda máxima, es la necesaria para energizar la carga conectada en corriente alterna. Como la tensión del sistema es de 120 V y la demanda máxima es 125 VA, la corriente que circula por el alimentador será la división de estos valores:



Como el caso anterior, toda la corriente circula por una sola fase y regresa por el conductor puesto a tierra.

Del cálculo de la corriente por el alimentador se determina que se debe emplear una protección de sobrecorriente con un valor estándar de la norma NTC 2050. De acuerdo a lo previamente calculado, esta protección será de 15 A, ya que tomando como referencia lo estipulado en la NTC 2050, el calibre de cable o alambre, mínimo utilizado para las instalaciones eléctricas residenciales es el 14 AWG (American Wire Gauge), lo más aconsejable es utilizar un conductor de calibre 12 AWG quiere decir que la protección debe proteger para efectos prácticos, el conductor de cobre dada su capacidad de transporte que obedece al orden de 15 A.

Alambrado Es necesario definir qué tipo de conductor es el más apropiado para la instalación. La norma NTC 2050, establece que los conductores normalmente utilizados para transportar corriente deben ser de cobre, a no ser que dentro de la norma se especifique otro material, en tal caso se deben calcular nuevamente los calibres. Los alambres y cables de cobre THHN/THWN son los más usados en instalaciones eléctricas residenciales, en circuitos alimentadores y ramales de hasta 600 V nominales, especiales para instalaciones en sitios abrasivos, en ductos, tuberías y tableros.[19] La norma NTC 2050 indica que cuando los conductores van instalados en canalizaciones, los calibres iguales o mayores a 8 AWG deben ser cableados (conductores compuestos de varios hilos). De lo anterior se concluye que para una instalación eléctrica residencial con conductores de cobre, se utilizaran conductores de cobre calibre 12 AWG y mayores; los cuales pueden ser de un solo hilo (alambres) o compuesto de varios hilos (cables), siendo estos últimos más flexibles.[20] - Selección de calibre de los conductores que transportan corriente Como ya se había mencionado, para el caso monofásico bifilar (2 conductores) los portadores de corriente son la fase y el conductor puesto a tierra (neutro). Para seleccionar el calibre de los conductores es necesario cumplir las siguientes condiciones: - El calibre mínimo

En la tabla 210-24, norma NTC 2050 se encuentra definido el calibre mínimo de los conductores, de acuerdo con la capacidad de carga de cada circuito.



- La capacidad de conducción de corriente Los conductores de los circuitos ramales deben tener una capacidad de corriente no menor a la carga máxima que van a alimentar. Además, los conductores de circuitos ramales con varias salidas para alimentar tomacorrientes para cargas portátiles conectadas con cordón y clavija, deben tener una capacidad de corriente no menor a la corriente nominal del circuito ramal. -La caída de tensión de los conductores En alimentadores y circuitos ramales, para los conductores se recomienda tener un calibre que evite una caída de tensión eléctrica superior al 3% en la salida (tomacorriente) más lejana, para potencia, calefacción, alumbrado o cualquier combinación de ellas.

La caída máxima de tensión eléctrica de los circuitos ramales más el circuito alimentador hasta la salida más lejana, se recomienda que no supere el 5%. En el artículo 310-15 de la norma NTC 2050 se encuentran los lineamientos para la capacidad de corriente de los conductores. Lo primero que se debe tener en cuenta es la capacidad de corriente de acuerdo con el número de conductores en una canalización y la corrección por la temperatura ambiente, posteriormente se deben realizar los cálculos de caída de tensión para determinar el porcentaje de regulación. - Número de conductores en una canalización (Tubo Conduit)

Cuando el número de conductores que transportan corriente es mayor a tres en una canalización o en un ensamble (conductores aislados), la capacidad de conducción de corriente se reduce en un porcentaje como lo indica la tabla mostrada a continuación; no se debe tener en cuenta el conductor de tierra de protección para estos factores: Tabla 10.Factores de corrección por agrupamiento

NÚMERO DE CONDUCTORES

PORTADORES DE CORRIENTE

PORCENTAJE DEL VALOR DE LAS TABLAS, AJUSTADO PARA LA

TEMPERATURA AMBIENTE SI FUERA NECESARIO

De 4 a 6 80%

De 7 a 9 70%

De 10 a 20 50%

Fuente: Autor



- Corrección por temperatura ambiente La capacidad de corriente de un conductor debe corregirse a la temperatura ambiente de la vivienda. Para un rango de temperatura entre 26-30°C, corresponde a un factor de corrección de 1,0, según Tabla 11. Tabla 11. Capacidad de corriente para conductores de cobre

CALIBRE AWG

CAPACIDAD DE CORRIENTE

(Conductor de cobre) Según el artículo 110.14 c

14 20

12 25

10 30

8 40

6 55

4 70

Fuente: Autor Para la Capacidad de corriente para conductores de cobre según el artículo 110.14 c. NOdebe más de tres conductores portadores de corriente en una canalización o cable, a temperatura ambiente de 30°C

Tabla 12. Factores de corrección

TEMPERATURA AMBIENTE EN °C

FACTORES DE CORRECCION

21-25 1,08

26-30 1,00

31-35 0,91

36-40 0,82

41-45 0,71

Fuente: Autor

-Cálculo del calibre Hasta el momento hay dos factores definidos para determinar el calibre del conductor:

Por agrupamiento en una canalización igual al 100%

Por temperatura ambiente igual a 1,0

Se calcula la capacidad de corriente de los conductores de acuerdo con los anteriores factores, así: se obtiene la capacidad de corriente máxima para el conductor del circuito alimentador de las cargas en C.C. y C.A. la cual viene determinada por los valores de corriente previamente calculados para cada uno de los casos y se divide entre el producto de los factores de corrección de las tablas (Factor de corrección por agrupamiento y capacidad de corriente para conductores de cobre).



La Capacidad de corriente máxima para el conductor del circuito alimentador de la carga conectada en corriente continúa:

3 33

3 33

Con este valor de corriente (3,33 A) se busca el calibre correspondiente en la tabla de capacidad de corriente para conductores de cobre, que corresponde al mínimo conductor permitido en instalaciones eléctricas residenciales un conductor de cobre 12 AWG.

Capacidad de corriente máxima para el conductor del circuito alimentador de la carga conectada en corriente alterna, está determinada por:

Con este valor de corriente (1,04 A) se busca el calibre correspondiente en la tabla de capacidad de corriente para conductores de cobre, que corresponde al mínimo conductor permitido en instalaciones eléctricas residenciales un conductor de cobre 12 AWG. La selección del calibre debe hacerse según la norma NTC 2050 artículo 110.14 c, sin embargo, la tecnología THHN/THWN, permite una mayor capacidad de temperatura y corriente a un diámetro de conductor menor al seleccionado según la norma; esto significa que se pueden incluir más conductores por la canalización y con un menor riesgo de rasgado, gracias a la chaqueta exterior de nylon la cual resiste mucho más las exigencias de la instalación. El artículo 220-10, inciso a). Indica: Los conductores del alimentador deben tener una capacidad de corriente suficiente para alimentar las cargas conectadas. En ningún caso la carga calculada para un alimentador debe ser menor a la suma de las cargas de los ramales conectados, tal como se establece en la parte A de este sección (220) y después de aplicar cualquier factor de demanda permitido en las partes B, C o D. Verificación del calibre por caída de tensión La caída de tensión de los circuitos (alimentador y ramales) deben cumplir con los criterios estipulados por la norma NTC 2050, esta fórmula permite obtener el valor de regulación para un circuito monofásico:

Dónde:



Caída de tensión en el cable en porcentaje

Impedancia eléctrica del cable en ohm/km

Longitud del circuito en km Corriente eléctrica en el cable

Tensión de fase-neutro en Voltios La Tabla 13 contiene los valores de impedancia de conductores de cobre dentro de un tubo Conduit. Es necesario además, conocer la distancia a la salida (tomacorriente) más lejana de cada circuito ramal, para el caso del cálculo de circuitos ramales. En el ejemplo se utilizarán los circuitos alimentadores.

Tabla 13. Impedancia de conductores en ducto (conduit).

CALIBRE IMPEDANCIA (ohm/km)

AWG CONDUIT DE PVC

CONDUIT DE ALUMINIO

CONDUIT DE ACERO

14 10,2 10,2 10,2

12 6,56 6,56 6,57

10 3,94 3,94 3,94

8 2,56 2,56 2,57

6 1,62 1,62 1,62

4 1,03 1,03 1,04

Fuente: Autor

Con la distancia calculada (0.004 km) y el valor de impedancia de la Tabla 13, se obtiene el porcentaje de regulación en el circuito alimentador de corriente alterna, para conductores de cobre THHN/THWN 14 AWG, así:

El resultado es menor que el máximo permitido, cumpliendo con lo establecido en el artículo 210-19 inciso a) de la norma NTC 2050 en la nota 4. Los conductores de circuitos ramales como están definidos en la sección 100, con una sección que evite una caída de tensión superior al 3% en las salidas más lejanas de fuerza, calefacción, alumbrado o cualquier combinación de ellas y en los que la caída máxima de tensión de los circuitos alimentador y ramal hasta la salida más lejana no supere el 5%, ofrecen una eficacia razonable de funcionamiento. Si el resultado hubiera sido mayor que el máximo permitido se debe elegir un calibre superior y calcular nuevamente hasta encontrar un valor menor al 3% recomendado por la norma NTC 2050.



Selección del calibre de los conductores de tierra La puesta a tierra del sistema eléctrico y de los equipos tiene como finalidad la protección de las personas en el momento de una falla o un mal funcionamiento eléctrico, la protección de las instalaciones y la compatibilidad electromagnética. Algunas de las funciones que el RETIE establece para un sistema de puesta a tierra son:

Garantizar condiciones de seguridad a los seres vivos.

Permitir a los equipos de protección despejar rápidamente las fallas.

Servir de referencia al sistema eléctrico.

Conducir y disipar las corrientes de falla con suficiente capacidad.

La puesta a tierra de los equipos comprende la interconexión efectiva de todos los encerramientos y canalizaciones metálicas. El sistema de puesta a tierra está compuesto normalmente por:

Conductor de puesta a tierra de equipos.

Conductor del electrodo de puesta a tierra.

Electrodo de puesta a tierra.

Figura 22. Esquema de puesta a tierra en instalaciones solares fotovoltaicas.

Fuente: Photovoltaics Design and Installation Manual, Ed. New Society Publisher, California, 2008.



Selección del conductor de puesta a tierra de equipos De acuerdo con los resultados obtenidos para cada circuito alimentador, la norma NTC 2050 determina el tamaño nominal mínimo de los conductores como vemos en la Tabla 14 el calibre mínimo de los conductores del sistema de puesta a tierra.

Tabla 14. Tamaño nominal mínimo de los conductores de puesta a tierra para canalizaciones y equipos

CAPACIDAD O AJUSTE MAXIMO DE LA PROTECCION DEL CIRCUITO

CALIBRE MINIMO DEL CONDUCTOR DE PUESTA A TIERRA DE EQUIPOS

(A) (AWG)

15 14

20 12

30 10

40 10

60 10

100 8

Fuente: Autor

Para el circuito alimentador que tiene un dispositivo de protección contra sobrecorriente de 15 A según la tabla anterior, le corresponde un conductor de puesta a tierra de cobre (aislado o desnudo) 12 AWG. Este conductor de puesta a tierra de equipos independiente puede pasar a través de uno o más paneles de distribución sin necesidad de conectarlo a los terminales de puesta a tierra de equipos de dichos paneles. El uso del conductor de puesta a tierra de equipos independiente no excluye el requisito de poner a tierra el ducto y la caja de salida si estos son metálicos. Como resultado de lo anterior existirán: dos conductores activos “para el caso de circuitos alimentados con corriente alterna” (fase y neutro), una tierra de protección (aislada o desnuda), además de los retornos y otros conductores. Es importante resaltar que se deben aterrizar las cajas y demás elementos metálicos (ejemplo: carcasas), lo que implica un conductor de tierra de protección en cada canalización que las contenga, paralelo a las líneas de fase (por el mismo ducto). Electrodo del sistema de puesta a tierra Son los elementos metálicos que se introducen en el terreno y que facilitan el paso al, o desde el suelo de cualquier carga eléctrica operando como el medio de contacto o empalme entre el sistema eléctrico y los equipos con la tierra física o suelo.



La sección 250 de la norma NTC 2050, parte H, describe las condiciones de instalación del electrodo de puesta a tierra. El artículo 250-81 describe la relación entre los distintos componentes metálicos de la edificación o estructura con los electrodos de puesta a tierra.

El artículo 250-83 c) establece una longitud mínima para electrodos de barras y tuberías de 2,40 m y una sección transversal dependiendo del material y forma del electrodo, así: para barras de hierro o acero el diámetro mínimo será de 15,87 mm, para tubos o conductos el diámetro mínimo será de 19 mm y para metales no ferrosos (cobre) de 12,7 mm. No se permiten electrodos de aluminio. El electrodo de puesta a tierra debe cumplir con los requerimientos citados en la norma NTC 2050 artículos 250-81, 250-83 y 250-84. La Tabla 15 que se presenta a continuación muestra los requerimientos que el RETIE establece para el conductor del electrodo de puesta a tierra.

Tabla 15. Requisitos para electrodo de puesta a tierra según RETIE

Fuente: Autor

El RETIE establece que: Los fabricantes de electrodos de puesta a tierra deben garantizar que la resistencia a la corrosión de cada electrodo, sea de mínimo 15 años contados a partir de la fecha de instalación, e informar al usuario si existe algún procedimiento específico que debe ser tenido en cuenta para su instalación.

Calibre de los conductores conectados entre los equipos del sistema de generación

Calibre de los conductores que van de los paneles fotovoltaicos al regulador



El calibre de estos conductores será determinado por la capacidad de corriente que transportan. Para esto se debe considerar la potencia nominal de los paneles sumados entre sí, y la tensión nominal de la instalación:

Con este valor de corriente (21,25 A) se busca el calibre correspondiente en la tabla de capacidad de corriente para conductores de cobre, que corresponde al conductor de cobre 12 AWG.

Calibre de los conductores que van del regulador a las baterías Ya que las baterías son el soporte del sistema solar fotovoltaico, cuando éste sale de servicio, el calibre de los conductores del regulador a las baterías es el mismo que el calculado en el numeral anterior (paneles fotovoltaicos al regulador), que para este caso es conductores de cobre 12 AWG.

Calibre de los conductores que van de las baterías al inversor

Estos conductores se encuentran directamente relacionados con el cálculo que se hizo en el circuito alimentador de la carga conectada en corriente alterna, conductor de cobre 14 AWG.[21]

Ver diseños de los diagramas preliminares de una instalación Solar Fotovoltaica en el Anexo A.

3. ENERGIA EOLICA

El viento es el movimiento natural del aire. Se determina por la dirección o punto del horizonte desde donde sopla y por su velocidad, de la cual depende su mayor o menor fuerza. Si bien el viento es una cantidad vectorial y se puede considerar una variable primaria por naturaleza, por lo general la velocidad (la magnitud del vector) y la dirección (orientación del vector) se tratan frecuentemente como variables independientes. En la Tabla 16 observamos las escalas, la velocidad y las características del viento.



Tabla 16. Escala y velocidad del viento

Escala

Velocidad Promedio

m/s.

Características

0

0.1

Calma; el humo sube verticalmente

1

0.9

Ventolina; la dirección se muestra por la dirección del humo. Las veletas

no alcanzan a moverse.

2

2.4

Brisa muy débil; se siente el viento en la cara, las hojas de los árboles se

mueven; las veletas giran lentamente.

3

4.4

Brisa débil; las hojas y las ramas pequeñas se mueven constantemente;

el viento despliega las banderas.

4

6.7

Brisa moderada; se levanta el polvo y los papeles del suelo; se mueven

las ramas pequeñas de los árboles.

5

9.4

Brisa fresca: los árboles pequeños se mueven; se forman olas en las

aguas quietas.

6

12.3

Brisa fuerte; se mueven las ramas grandes de los árboles; los paraguas

se mantienen con dificultad.

7

15.5

Viento fuerte; los árboles grandes se mueven; se camina con dificultad

contra el viento.

8

19.0

Viento muy fuerte; se rompen las ramas de los árboles, no se puede

caminar en contra del viento.

9

22.6

Viento muy fuerte; el viento arranca tejados y chimeneas, se caen

arbustos; ocurren daños fuertes en las plantaciones.

10

26.4

Temporal huracanado; raro en los continentes. Arranca los árboles y las

viviendas sufren daños muy importantes.

11

30.5

Borrasca



12 32.7 o más

Huracán

Fuente: Autor

3.1 Utilidad de la variable

El viento ejerce una presión sobre cualquier superficie que se oponga en su recorrido, lo cual se traduce en una fuerza cuya magnitud aumenta en función de su velocidad. Esta fuerza puede levantar o mover objetos cuando su peso sea inferior a la fuerza que lleva asociada el viento. El mes de agosto, en el cual con gran frecuencia se registran los vientos de mayor velocidad en gran parte de la región Andina, ofrece en consecuencia las mayores posibilidades para elevar las cometas. Hoy en día, la necesidad de hallar fuentes alternativas para la generación de energía que favorezcan el desarrollo sostenible sin poner en riesgo la calidad de vida de las generaciones futuras ha llevado al desarrollo de tecnologías que permiten el aprovechamiento energético del recurso climático y en particular de las propiedades dinámicas del aire representadas en las características físicas del viento, tal como ocurre con los aerogeneradores que transforman la energía del viento, eólica, en eléctrica o con los molinos de viento con fines múltiples. En general, en el trópico y en Colombia, los vientos locales tienen gran preponderancia en el aporte de humedad, en favorecer los movimientos verticales y en la formación de nubes convectivas, las cuales provocan chubascos o tormentas, particularmente en las tardes; estas pueden estar acompañadas de vientos violentos de corta duración, cuyas velocidades en ocasiones pueden superar los 100 km/H. Pueden constituirse en eventos naturales de riesgo para la vida y bienes materiales. El viento es también, junto con la temperatura y la humedad, un elemento meteorológico determinante de las condiciones de confort climático de las distintas regiones; cuando los vientos aumentan en intensidad la sensación térmica tiende a ser más fresca que cuando son más débiles. [3] En las figuras a continuación podemos observar, en la Figura 23 el mapa de velocidad media del viento, en la Figura 24 el mapa de localización de lugares con mayor potencial de energía eólica, anualmente y la Tabla 17 la velocidad media del viento principales ciudades del país respectivamente.



Figura 23. Mapa de la velocidad media del viento.

Fuente: Atlas del vientode Colombia, Unidad de Planeación Minero Energética UPME



Figura 24. Mapa de localización de lugares con mayor potencial de energía eólica.

Fuente: Atlas del vientode Colombia, Unidad de Planeación Minero Energética UPME



Tabla 17. Velocidad media del viento en principales lugares del país.

Fuente: Atlas del viento de Colombia, Unidad de Planeación Minero Energética UPME



3.2 Recurso eólico

La energía eólica tiene su origen en la energía emitida por el Sol (Solar), más específicamente en el calentamiento diferencial de masas de aire por el Sol, ya sea por diferencias de latitud (vientos globales) o el terreno (mar-tierra o vientos locales). Las diferencias de radiación entre distintos puntos de la Tierra generan diversas áreas térmicas y los desequilibrios de temperatura provocan cambios de densidad en las masas de aire que se traducen en variaciones de presión. De los sistemas de vientos globales, uno de los más importantes es el de los alisios, el cual tiene origen en el mayor calentamiento de la región ecuatorial. En general, este sistema es activo entre las latitudes de 30 grados norte y sur, por lo que es de alta relevancia para la región de América Central y parte de América del Sur. De la energía solar que llega a la Tierra por radiación (unos 1018 kWh por año), solo alrededor del 0,25% se convierte en corrientes de aire. Esta cantidad es todavía 25 veces mayor al consumo energético total mundial. La dirección del viento está determinada por efectos topográficos y por la rotación de la Tierra. Es de gran importancia el conocimiento de las direcciones dominantes para instalar los equipos que extraerán la energía proveniente de este recurso. Los aerogeneradores se deben colocar en lugares donde exista la menor cantidad de obstáculos posibles en estas direcciones.

3.2.1 Estimación del recurso

La cantidad de energía (mecánica o eléctrica) que pueda generar una turbina eólica depende mucho de las características del viento vigentes en el sitio de instalación. De hecho, la producción puede variar en un factor de dos a tres entre un sitio regular y uno excelente, de manera que la rentabilidad de un proyecto depende directamente del recurso eólico local. Por esta razón, es necesario un estudio técnico detallado de las características del viento en un sitio específico antes de avanzar en un proyecto de cualquier magnitud.[22] El análisis requerido depende directamente de la aplicación y la escala prevista; naturalmente, un proyecto a gran escala conectado a la red requiere de un estudio más profundo que un pequeño sistema aislado. El método más exacto (aunque más costoso) para conocer el potencial de producción de energía del viento, es la instalación de uno o más anemómetros, los cuales, periódicamente, generan datos de la velocidad y la dirección del viento en forma electrónica. Estos datos se analizan detalladamente en relación con las características del terreno y las mediciones de estaciones meteorológicas cercanas, con el fin de estimar la producción potencial de energía a largo plazo y durante diferentes épocas del año.



Información meteorológica de sitios aledaños puede apoyar el análisis del potencial eólico; sin embargo, este tipo de información generalmente tiende a subestimar el recurso eólico. Hay tres componentes del viento que determinan la potencia disponible de un sistema de conversión de energía eólica:

Velocidad del viento: Es un parámetro crítico porque la potencia varía

según el cubo de la velocidad del viento, o sea, una o dos veces más alta

significa ocho veces más de potencia. Además, la velocidad varía

directamente con la latitud sobre el suelo, por la fricción causada por

montañas, árboles, edificios y otros objetos. Las turbinas eólicas requieren

una velocidad de viento mínima para empezar a generar energía: para

pequeñas turbinas, este es, aproximadamente, de 3,5 m/s; para turbinas

grandes, 6 m/s, como mínimo.

Características del viento (turbulencia): Mientras que los modelos de viento

globales ponen al aire en movimiento y determinan, a grandes rasgos, el

recurso del viento en una región, rasgos topográficos locales, que incluyen

formaciones geográficas, flora y estructuras artificiales, pueden mostrar la

diferencia entre un recurso eólico utilizable y uno que no lo es.

Densidad del aire: Temperaturas bajas producen una densidad del aire más

alta. Mayor densidad significa más fluidez de las moléculas en un volumen

de aire dado y más fluidez de las moléculas encima de una pala de la

turbina produce un rendimiento más alto de la potencia, para una velocidad

del viento dada.

Cuando se tiene información confiable sobre el régimen de viento en un lugar, ésta deberá ser analizada adecuadamente, para ser combinada con las características de generación de un equipo; pudiéndose estimar, entonces, la cantidad de energía que puede suministrar el equipo eólico en el lugar seleccionado. La Tabla 18 indica las posibilidades de uso de la energía eólica, con base a valores promedios de velocidad de viento anual.[23]

Tabla 18. Relaciones generales entre la viabilidad y velocidad del viento para su uso como fuente de energía.

Promedio Anual de Velocidad de Viento 10

metros de altura

Posibilidad de Uso de la Energía Eólica

Menor a 3 m/s Usualmente no es viable, a menos que existan circunstancias especiales para evaluar mejor el recurso

3 - 4 m/s

Puede ser una buena opción para equipos eólicos de bombeo de agua (Aerobombeo), poco viable para



generación eléctrica con equipos eólicos (Aerogeneración)

4 - 5 m/s

Aerobombas son competitivas económicamente a los equipos Diesel, aerogeneración con equipos autónomos es viable.

Más de 5 m/s Viable para aerobombeo y aerogeneración con sistemas autónomos

Más de 6 m/s Viable para aerobombeo, aerogeneración con sistemas autónomos y para sistemas conectados a la red eléctrica.

Fuente: Autor

3.3 Aplicaciones

Las aplicaciones más importantes que tiene el recurso eólico son:

Sistemas eléctricos aislados. Sistemas eléctricos conectados a la red. Sistemas centralizados.

3.3.1 Sistemas eléctricos aislados

Las pequeñas turbinas eólicas, las cuales tienen un rango de 0,3 a 100 kW, muchas veces son la fuente de electricidad más económica para sitios aislados, cuando el recurso eólico es apropiado y su operación es simple y barata. La aplicación más común de sistemas aislados es la electrificación de viviendas rurales, para la cual existen diferentes configuraciones. Este tipo de sistemas se refiere a uno de generación eléctrica para una vivienda. Generalmente, cuenta con un pequeño aerogenerador, una o más baterías para almacenar la energía generada y un regulador que controla la carga y descarga de las baterías. Dependiendo de la aplicación, puede incluir un inversor para transformar la electricidad de corriente directa en alterna de 110 voltios. Figura 25. Sistema eólico autónomo

Fuente: Autor



3.3.2 Sistemas eléctricos conectados a la red

En este tipo de sistemas, el único equipo adicional requerido es el inversor cuando el aerogenerador genera en corriente continua, este hace que la electricidad generada por la turbina sea compatible con la de la red. Por lo general, no se requiere el uso de baterías.Usa la misma tecnología básica que un pequeño sistema, aunque a una escala mayor. Generalmente, se coloca una serie de turbinas grandes (desde 100 hasta 2.000 kW), que pueden ser de decenas a centenares, en un sitio con condiciones de viento muy favorable.

Figura 26. Sistema eólico conectado a la red

Fuente: www.energiaeolica.gub.uy

3.3.3 Sistemas centralizados

La generación eólica se hace más atractiva económicamente con una demanda de electricidad más alta. Se estima que si la demanda es superior a 10 kWh por día, un sistema eólico es más barato que uno fotovoltaico, aunque esto depende de la disponibilidad de los recursos naturales para las dos fuentes. Esto hace que, si las viviendas a electrificar se encuentran relativamente próximas entre sí, la opción más apropiada puede ser un sistema eólico centralizado debido a la concentración de equipos y energía, lo cual ofrece ventajas desde los puntos de vista técnico y económico. Un sistema eólico centralizado satisface la demanda energética de una comunidad con electricidad producida, almacenada y transformada en un “sistemas eólico central” y que luego se distribuye, a través de las líneas eléctricas, hasta cada una



de las viviendas y otros sitios. Generalmente, este tipo de sistemas cuenta con más de una fuente de generación, para lograr mayor confiabilidad del sistema. Figura 27. Sistema eólico centralizado.

Fuente: Fotografía tomada por Pedro Pineda.

3.4 La energía en el viento

La energía en el viento es cinética. Su valor es el producto de la masa por ½ del cuadrado de la velocidad del viento “V”. La masa contenida en una unidad de volumen [1 m3] de aire se define como la densidad r [kg/m3] del aire. Entonces, la energía cinética por unidad de volumen (o sea la contenida en una unidad de volumen) es igual a:

p

El volumen que por segundo pasa a través de un área A [m2] normal a la dirección de la velocidad del viento es igual al producto AV [m3/s]. Entonces el flujo de energía por segundo, o sea, la potencia a través de un área A es igual a:



De esta manera la potencia del viento varía con el cubo (la tercera potencia) de su velocidad; por ejemplo, si esta se duplica, la potencia contenida en el viento es 23=2*2*2=8 veces más alta. Asimismo, la energía cinética del viento depende de la densidad del aire; es decir, de su masa por unidad de volumen. En otras palabras, cuanto “más pesado” sea el aire, mas energía recibirá la turbina. A presión atmosférica normal y a 15°C el aire pesa unos 1,225 kilogramos por metro cubico, aunque la densidad disminuye ligeramente con el aumento de la humedad. Además, el aire es más denso cuando hace frio que cuando hace calor: a grandes altitudes (en las montañas) la presión es más baja y este es menos denso. Un aspecto importante es la máxima potencia eólica aprovechada; es decir, una turbina eólica puede convertir en energía mecánica como máximo teórico, un 59,26 % de la energía cinética del viento que incide sobre ella. Esta máxima potencia eólica aprovechada la define el Límite de Betz.[24]

3.5 Fundamentos

Es evidente que la cantidad de viento de un lugar determina cuanta energía podemos esperar de una turbina eólica de un determinado tamaño. Aunque pocas personas considerarían ubicar un panel solar en la sombra y esperar que este trabaje, es sorprendente que haya quien pretenda hacer lo equivalente con su turbina eólica. - Potencia del viento La potencia (P) del viento es una función de la densidad del aire (ρ), del área que intercepta el viento (A) y de la velocidad instantánea del mismo (v). El incremento de cualquiera de estos factores aumenta la potencia disponible en el viento:

Si el valor de la densidad del aire al nivel del mar es sustituido en la ecuación, la potencia será:

6 Si la velocidad está en millas por horas y el área en pies cuadrados. La densidad del aire varía con la temperatura y la elevación. El aire caliente es menos denso que el frio. Cualquier turbina eólica producirá menos en el caluroso verano que en el invierno, con la misma velocidad del viento. Los cambios en la densidad del aire con relación a las condiciones estándar a nivel del mar pueden cambiar la producción de potencia de un 10% a un 20%, y



algunas veces más. Por ejemplo, en un día de verano, a una altura de (1524 m), la temperatura del aire puede alcanzar los 35°C. Bajo estas condiciones, la densidad del aire es un 80% de la densidad a lo largo de la costa a una temperatura confortable de 20°C. No obstante, el efecto de los cambios en temperatura o elevación sobre la potencia del viento, especialmente en las pequeñas turbinas eólicas, es despreciable con respecto a los cambios en la velocidad del mismo. La potencia del viento varía con el cubo de su velocidad. Duplicando esta última, la potencia disponible será de ocho veces más. Inclusive un pequeño incremento de la velocidad del viento cambiará sustancialmente la potencia de este. Esa es la razón de poner énfasis en la importancia de instalar la turbina donde los vientos sean mejores. Las velocidades del viento varían con el tiempo. La energía que nosotros realmente andamos buscando es el producto de la potencia por el tiempo.

3.5.1 Área de barrido

Como se ha visto, la potencia del viento está relacionada con la velocidad de éste elevada al cubo. También está directamente relacionada con el área que intercepta el viento, que es el área barrida por el rotor de la turbina. Duplicando ésta, se duplicará la potencia disponible. Consideremos una turbina eólica convencional donde el rotor gira alrededor de un eje horizontal. El rotor barre un disco del área circular.

Por lo tanto, el área A es igual al producto de por el cuadrado del radio de rotor R, o aproximadamente la longitud de un aspa. Con esta fórmula se obtiene el área A barrida en la corriente de viento interceptada por el rotor. La relación entre el radio del rotor (o el diámetro) y la energía capturada es fundamentalmente para comprometer como es el diseño de una turbina. Conociendo esto se puede rápidamente determinar el tamaño de cualquier máquina eólica por las dimensiones de su rotor. Un incremento relativamente pequeño de la longitud del aspa o del diámetro del rotor produce un gran incremento en el área barrida y de la misma forma en la potencia. Comparando el área de barrido de una turbina eólica con un rotor de 10 m de diámetro con el de otra de diámetro 12 m (de nuevo, las unidades las descartamos, para efectos del ejemplo), tendremos que:



Incrementando el diámetro del rotor en un 20% (de 10 a 12), se incrementa el área de captura en un 44%. Esta relación entre el área de barrido y la potencia disponible explica un axioma crucial de la energía eólica: nada dice más acerca del potencial de una turbina eólica que el diámetro del rotor. Una turbina eólica con un rotor más grande casi invariablemente genera más electricidad que otra con un rotor más pequeño, sin tener en cuenta la potencia del generador. Figura 28. Área de barrido del rotor

Fuente: http://web.ing.puc.cl/~power/alumno03/alternativa.htm

3.6 Distribución de velocidades del viento

Si bien frecuentemente hablamos en términos de potencia al referirnos a las turbinas eólicas, esto es a menudo sustituido por el término energía. Esta última representa la potencia multiplicada por la unidad de tiempo. Expresada en (kWh), es la que se almacena en las baterías de un sistema eólico alejado de la red eléctrica o la que se vende a la compañía de electricidad a quien pertenece la red. En consecuencia, es necesario definir mejor la velocidad del viento usada en la ecuación de la potencia, y debemos tener en cuenta en que magnitud las variaciones de esa velocidad afectan a la cantidad de energía disponible.



Figura 29. Gráfico de la frecuencia velocidades del viento.

Fuente: García Galludo Mario, Energía Eólica, Ed. Ediciones Progensa, Madrid

Generalmente se denomina recurso eólico de un lugar a su velocidad media de viento, en concreto a la velocidad media anual (en los sistemas para cargar baterías alejados de la red, también se usan con frecuencia las velocidades medias mensuales). Sin embargo, debido a que la potencia es una función del cubo de la velocidad, los periodos de vientos fuertes contribuyen mucho más a la producción de energía anual que el que indica la velocidad media. [25]

3.7 Incremento de la velocidad del viento y de la potencia con la altura

Debido a que los obstáculos cerca del suelo interrumpen el flujo de viento, la velocidad de este típicamente se incrementa con la altura, y algunas veces puede hacerlo de manera espectacular cuando se trata de terrenos rugosos. Este efecto es tan importante que los datos de viento frecuentemente incluyen la altura a que fueron medidos. Si esta no se menciona específicamente, por lo general se considera de alrededor de 10 metros sobre el nivel del suelo. Sin embargo la mayoría de las turbinas se instalan en torres mucho más altas, para aprovechar las ventajas de vientos más fuertes y menos turbulentos en esas alturas.

http://ticuna.banrep.gov.co:8080/cgi-bin/abnetclwoi/O7272/IDde1e7c02?ACC=133&NAUT=293485&SAUT=Garc%00eda+Galludo,+Mario



Figura 30. Gráfico de incremento de la velocidad del viento como función de la altura.

Fuente: García Galludo Mario, Energía Eólica, Ed. Ediciones Progensa, Madrid

La rapidez con la cual la velocidad del viento aumenta con la altura varía con la vegetación y el terreno. El incremento es mayor sobre terreno rugoso o con numerosos obstáculos tales como árboles y arbustos, y más pequeño sobre terreno liso, como la superficie de un lago. En la ley exponencial, esto se ve reflejado por el coeficiente de rugosidad . Sobre un terreno liso puede ser tan

bajo como 0.1, y sobre terreno accidentado, tan grande como 0.25. En Colombia, a partir de un estudio realizado en el 2006 por la Unidad de Planeación Minero Energética, UPME, sobre energías renovables (descripción, tecnologías y usos finales), se establecieron 6 rangos de rugosidad que se observan en la Tabla 19 a partir de los cuales se pudieron determinar rangos de velocidad del viento.[26]

Tabla 19. Exponentes típicos de rugosidad

Rangos de rugosidad

1

Plana (playa, hielo, paisaje de nieve, océano)

2

Abierta (pasto corto, aeropuertos, tierra de cultivo vacía)

3

Áspera (Cultivos altos en hilera, árboles bajos)

4

Muy áspera (Bosques y huertos)




5

Cerrada (Pueblos, suburbios)

6

Ciudad (centros de ciudades, espacios abiertos en los bosques)

Fuente: Autor

3.8 Tamaño relativo

En la energía eólica, el tamaño es importante, especialmente el diámetro del rotor. Actualmente, el rango en tamaño de las turbinas eólicas va desde la Marlec 500 de 20 W, con un rotor de solamente 0.5 metros de diámetro, hasta una gigantesca máquina Vestas de 1650 kW, con un rotor de 63 metros. No hay una regla definitiva sobre que se considera una pequeña turbina. Las designaciones del tamaño son algo arbitrarias, aunque es evidente, por ejemplo, que la Marlec 500 es pequeña y la turbina Vestas de 1.65 MW no lo es. La clasificación en cuanto al tamaño depende tanto del diámetro del rotor como de la capacidad del generador. En general, las pequeñas turbinas eólicas serían las máquinas que producen desde unos pocos vatios hasta 10-20 kW. Las turbinas en el límite superior de este rango trabajan con rotores de 7-9 metros de diámetro. Las pequeñas turbinas eólicas como en la Figura 31 pueden ser subdivididas en microturbinas las más pequeñas de las turbinas eólicas, miniturbinas y turbinas de tamaño doméstico.

Figura 31. Micro y macro turbinas

Fuente: http://varinia.es/blog/2009/05/16/%C2%BFcual-es-el-limite-de-potencia-de-los-aerogeneradores/



3.9 TECNOLOGIA DEL AEROGENERADOR

3.9.1 Principio de funcionamiento

El dispositivo que se utiliza para aprovechar la energía contenida en el viento y transformarla en eléctrica es la turbina eólica o aerogenerador. Un aerogenerador obtiene su potencia de entrada convirtiendo la energía cinética del viento en un par (fuerza de giro), el cual actúa sobre las palas o hélices de su rotor. Para la producción de electricidad la energía rotacional es convertida en eléctrica por el generador que posee una turbina; en este caso, llamado aerogenerador. Las turbinas que se encuentran en el mercado son muy confiables, con factores de disponibilidad de más de un 98%, lo cual significa que pueden operar durante mas del 98% del año; generalmente, apagándose solo durante el periodo de mantenimiento. Además las turbinas sólo requieren mantenimiento cada seis meses. Aparte de las características del viento, la cantidad de energía que pueda ser transferida depende de la eficiencia del sistema y del diámetro del rotor. Las mejores aeroturbinas que se construyeron actualmente tienen un índice global de eficiencia (tomando en cuenta la del rotor y el generador) de casi 35%. En si el funcionamiento de una turbina eólica se basa en el viento que hace girar las hélices conectadas a una turbina de viento. Estas hélices mueven un eje interno que en algunos casos está conectado a una serie de piñones para incrementar su revolución. Por medio de un campo magnético, el generador interno convierte la energía de rotación en energía eléctrica. Si el viento es muy fuerte, la turbina tiene un freno que impide que las hélices den vueltas demasiado rápido y se dañen. Por último, la energía es enviada a un banco de baterías en donde esta energía es almacenada para ser utilizada en horas de alta demanda.[27]

3.9.2 Tipos de aerogeneradores

Las máquinas eólicas han sido estudiadas por el hombre de una forma intensiva y dentro de ellas existen de muy diversos tipos, que van desde pequeñas potencias a las grandes máquinas americanas y alemanas de varios megavatios. Una clasificación de las máquinas eólicas podría ser la siguiente:

Aeroturbinas de eje horizontal

Aeroturbinas de eje vertical

Sistema giromil (eje vertical y palas verticales)

Sistemas difusores (aeroturbina horizontal con tobera)

Sistema tipo tornado



Dentro de ellas, en este texto se tratarán las aeroturbinas de eje horizontal, que son las que se encuentran en la actualidad más desarrolladas, tanto desde el punto de vista técnico como comercial. Las aeroturbinas de eje horizontal se suelen clasificar según su velocidad de giro o según el número de palas que lleva el rotor. Estos dos aspectos están íntimamente relacionados. Estas máquinas las podemos clasificar en un principio en rápidas y lentas. Las primeras tienen un número de palas no superior a 4 y las segundas pueden tener hasta 24 palas. Existe un coeficiente muy importante en el estudio de aeroturbinas del cual ya

hemos hecho referencia, que es la velocidad específica . Dicho parámetro es la relación entre la velocidad de punta de pala y la velocidad con la cual el viento ataca el rotor, es decir:

Radio de la pala

Velocidad del viento Velocidad angular de giro del rotor (rad/s) El coeficiente de potencia puede escribirse en función del coeficiente , como mas tarde se verá, la representación gráfica de puede verse en la

Figura28. A la vista de dicha grafica, puede observarse que las máquinas eólicas tienen un máximo que siempre deberá ser menor al dado por la Ley de Betz.

En la parte de la izquierda están representadas las aeroturbinas lentas cuyos máximos se obtienen para valores del orden de 1 y la aeroturbina de eje vertical Savonius. En una zona intermedia están situados los llamados molinos holandeses de 4 palas, cuyos son más altos (mejores rendimientos) y las velocidades específicas empiezan a ser mayores. En dicha figura en la zona de la derecha aparece una máquina eólica de eje vertical llamada aeroturbina Darrius, tiene un provenir muy esperanzador. Más hacia arriba están las máquinas bipalas de gran coeficiente de potencia y que funcionan a velocidades específicas que pueden ser del orden de 10. En esta zona están ubicadas todas las grandes máquinas americanas y, en general, todas las utilizadas para generar electricidad.



Figura 32. Curva de rendimiento de máquinas eólicas

Fuente: http://exa.unne.edu.ar/depar/areas/fisica/maestria/modulo2/eolica/eolo42002

Las aeroturbinas lentas tienen una velocidad específica pequeña y tienen un gran número de palas. Las aeroturbinas rápidas tienen velocidades específicas altas y el número de palas tiende a descender. Suelen ser bipalas y algunas tripalas, habiéndose incluso diseñado aeroturbinas con una sola pala. El proceso de funcionamiento de estas máquinas es diferente, en el aspecto del tipo de acciones debidas al viento que las hace funcionar. Las máquinas lentas son tales que la fuerza que actúa sobre las palas tiene una componente mucho más importante de resistencia (fuerza D) que de sustentación (fuerza L), mientras que en las máquinas rápidas la sustentación es mucho mayor que la resistencia. El número de palas también influye en el par de arranque de la máquina, de forma que una máquina con un rotor de gran número de palas requiere un par de arranque mucho mayor. En el caso de máquinas de eje vertical, el modelo Darrius arranca mal y por otra parte la tipo Savonius se pone en funcionamiento con una pequeña brisa. Debido a ello, existe una combinación de ambas máquinas dando lugar a una aeroturbina que tiene en el eje una máquina Savonius que la pone en funcionamiento y una máquina Darrius que produce la potencia para unas mayores velocidades de viento.



3.9.2.1 Aeroturbinas lentas

El “molino americano”, que hizo su aparición en los años 1800, está formado por una rueda compuesta por un número de palas que puede oscilar entre 12 y 24 y que cubren casi toda la superficie del disco. Los diámetros de estos rotores suelen ser del orden de 5 a 8 metros. Diámetros mayores ocasionan un excesivo peso del rotor y dificultan el arranque de la máquina. Con un viento de 2 o 3 m/s suelen ponerse en funcionamiento, aunque no dan su potencia máxima hasta velocidades mayores. Figura 33. Aeroturbinas lentas

Fuente: Autor

La potencia nominal de estas máquinas, Figura 33 se puede expresar en una

primera aproximación con la fórmula , donde es la potencia en

vatios, el diámetro del rotor en metros y la velocidad del viento en m/s. Suele darse la potencia nominal para velocidades de viento del orden de 5 m/s. El coeficiente de potencia máximo es de 0,3 (aproximadamente el 50% del límite de Betz) y éste coeficiente se alcanza para unas velocidades específicas del orden de la mitad.

El nombre de “máquina lenta” está claro a la vista de este dato, dado que con la punta de pala gira a una velocidad igual a la velocidad con la cual es atacado el rotor, que está formado por placas metálicas delgadas orientadas, cuyos perfiles no son aerodinámicos y el viento ejerce sobre ellos una resistencia que produce el par de giro. La utilización más común para estas máquinas es el bombeo de agua mediante una bomba de émbolo que por sus características se ajusta a las proporcionadas por el multípala. Su funcionamiento es muy simple: el rotor acciona directamente un sistema de biela-manivela, el cual acciona un émbolo y produce un movimiento de vaivén.[28]



3.9.2.2 Aeroturbinas rápidas

Estas máquinas se proyectan con rotores de 2 ó 3 palas y su principal interés radica en que las potencias que pueden proporcionar son mucho más altas que en los molinos americanos, aunque para su funcionamiento a plena potencia requieren mayor velocidad de viento. La potencia máxima se obtiene para velocidades específicas altas (del orden de 7 a 10) y se requieren velocidades de viento también superiores a 6 m/s. Figura 34. Aeroturbina rápida

Fuente: Fotografía tomada por Pedro Pineda.

La mayor aplicación de las aeroturbinas rápidas es la producción de electricidad. Con este fin, el aeromotor puede proceder a accionar dos tipos diferentes de generadores eléctricos, bien sea directamente o bien a través de un multiplicador que acople el giro del molino al giro necesario del generador eléctrico. Este tipo de generadores pueden ser, bien de corriente continua (dinamos), o síncronos, de corriente alterna.

Dispositivos de orientación: Uno de los principales problemas que plantean los molinos de eje horizontal es la necesidad de orientarlos, de forma que el viento incida perpendicularmente al disco del rotor, con el fin de que se pueda conseguir la máxima potencia, a base de que incida la mayor cantidad de masa de aire en movimiento, para sustraer la mayor cantidad posible de energía cinética. Con este fin existen diversos tipos de sistemas que nos permiten orientar la máquina:

Las veletas



Molinos auxiliares

Dispositivos autorientables

Servomotores

Las veletas son dispositivos de orientación situados en la continuación del eje del rotor y que tienen por fin orientar el molino en la dirección del viento. Están constituidos por una superficie plana metálica o de madera sobre la que el viento ejerce una presión en el momento que no está orientada paralelamente a la velocidad de la vena fluida. Esta presión ejerce un par de giro que orienta la máquina. La distancia del centro de gravedad de la placa que forma la veleta al

eje de giro de la máquina la llamaremos y la distancia del eje al eje de las palas,

h, normalmente se debe cumplir que , como observamos en Figura 35.

Figura 35. Veleta

Fuente: Autor

Antes de analizar su funcionamiento, es primordial estudiar el comportamiento de una máquina eólica según las velocidades de viento a que está sometida. Para una determinada velocidad de viento, la máquina comienza a girar. Dicha velocidad se llama velocidad de conexión, pero su giro en lento y la máquina dista mucho de producir su máxima potencia. Según la velocidad del viento aumenta, el rotor gira más deprisa y la potencia que nos produce aumenta. A una determinada velocidad, que llamaremos velocidad nominal, el rotor gira a las revoluciones precisas para que la máquina nos proporcione su potencia nominal y a partir de este momento, aunque aumente la velocidad del viento, no interesa que la velocidad de giro aumente. Debido a ello hay que actuar sobre ella regulando su giro. Si la velocidad del viento continua aumentando puede peligrar el rotor, bajo el punto de vista estructural. Por lo tanto, interesa que cuando ésta velocidad aumente mucho, el rotor se pare. La velocidad a la cual el rotor debe pararse se llama velocidad de desconexión. Los procedimientos utilizados para que dicha desconexión se produzca se llaman de protección.



Las tres velocidades más características de la máquina eólica, son:

Velocidad de conexión, que es la velocidad de viento para la cual el

rotor comienza su giro.

Velocidad nominal, que es la velocidad para la cual la máquina

produce su potencia nominal.

Velocidad desconexión, que es aquella para la cual la máquina deja

de funcionar.

Los dispositivos de regulación se pueden clasificar en dos grandes grupos:

Dispositivos de palas fijas.

Dispositivos de palas móviles.

3.10 Partes de un aerogenerador

Existen varios tipos de turbinas y cada una puede tener diferentes componentes, dependiendo de la aplicación; sin embargo, se pueden reconocer algunos comunes, como se explica a continuación y se ilustra en la Figura 36. Figura 36. Aerogenerador y algunas de sus partes

Fuente: http://guidedtour.windpower.org/es/stat/units.htm

Rotor El rotor es el elemento principal de una máquina eólica, siendo su función la transformación de la energía cinética del viento en mecánica utilizable. Existe gran



variedad de rotores y su clasificación más usual se realiza en función de la disposición del eje: horizontal o vertical, de los cuales el primero es el más común. Los rotores de eje horizontal tienen aspas que giran en un plano vertical como las hélices de un avión. Para sistemas de generación eléctrica, el rotor consiste generalmente en dos o tres aspas y está hecho de fibra de vidrio con poliéster o epoxy; además el cubo que conecta las aspas al eje. Los rotores de sistemas para aplicaciones mecánicas suelen tener más aspas (10 a 20), y giran a velocidades más bajas. El rotor de una turbina eólica puede variar en tamaño, lo cual afecta la cantidad de energía correspondiente que se puede generar. Por ejemplo, una turbina de 10 kW típicamente tiene un diámetro de rotor de siete metros, mientras que una turbina de 750 kW tiene un diámetro de 24 metros. Tren de potencia o conversión mecánica El tren de potencia está constituido por el eje de velocidad baja, la caja de cambios de velocidad, el eje de velocidad alta y las balineras o cojinetes que soportan los ejes. Se aplica en sistemas grandes eléctricos para adaptar la velocidad del eje a la del generador. Algunas turbinas no contienen la caja de cambios. Sistema eléctrico En sistemas de generación eléctrica, éste se refiere al generador, el cual está acoplado al eje para transformar la energía mecánica en eléctrica. Además, consiste en las interfaces para la conexión a las aplicaciones o a la red eléctrica. Chasis Contiene los elementos claves de la turbina, como la caja de cambios y el generador. En turbinas grandes, el chasis puede tener el tamaño de un microbús y el personal de mantenimiento entra a él desde la torre. Usualmente, es una pieza metálica forjada sobre la cual se montan las diferentes partes del tren de conversión modularmente, al mismo tiempo que lo protege del ambiente y sirve de aislante al ruido mecánico de la caja de cambios y del generador. Sistema de orientación

Las máquinas de eje horizontal tienen éste componente, el cual detecta la orientación del viento y coloca el rotor en su misma dirección para aprovecharlo al máximo. El sistema de orientación está compuesto por el cojinete, los motores eléctricos, los sensores y un freno mecánico.



Torre

Las máquinas eólicas deben estar situadas sobre una estructura de soporte capaz de aguantar el empuje del viento que transmiten el sistema de captación y las eventuales vibraciones. Su altura debe ser suficiente para evitar que las turbulencias, debidas al suelo, afecten a la máquina y para superar los obstáculos cercanos. Por ejemplo, una turbina de 750 kW tiene una altura típica de 63 m. El uso de torres más altas significa un costo mayor al inicio, pero este disminuye el periodo de la recuperación de la inversión, debido a que la velocidad del viento aumenta con la altura y logra generar más energía. Sistemas de control y seguridad Este pone la turbina en una situación estable y segura, en caso de que ocurran anomalías tales como pérdidas de carga, velocidad de rotación o temperatura del generador a caja de cambios demasiado altas.

Toda turbina eólica necesita un sistema de control que permita por un lado detener la máquina y limitar su velocidad por razones de seguridad y por el otro optimizar el funcionamiento. Además, en el caso de generación eléctrica a frecuencia constante es necesario mantener la velocidad de giro del rotor dentro de ciertos límites para obtener un alto rendimiento. El sistema de control es diferente en función del tamaño del aerogenerador.

3.11Curvas de potencia

La curva de potencia de un aerogenerador es un gráfico que indica cuál será la potencia eléctrica disponible en el aerogenerador a diferentes velocidades del viento. Para calcular la curva de potencia es muy importante tener en cuenta varios factores:

Densidad del aire

Viento

Potencia del aerogenerador.

Si la velocidad del viento no está variando demasiado rápidamente, pueden usarse las medidas de la velocidad del viento realizadas con el anemómetro y leer la potencia eléctrica disponible directamente del aerogenerador, y dibujar los dos tipos de valores conjuntamente en la Figura 37.[29]



Figura 37. Curva de potencia de un aerogenerador marca Lakota 900W

Fuente: http://www.zytechaerodyne.com/

3.11 Metodología de Diseño para instalaciones de Energía Eólica



Criterio de Recursos: Es dónde se verifica si los recursos que posee la región son suficientes para satisfacer las necesidades energéticas de la población.


APLICACIÓN DE CRITERIOS DE DISEÑO EN EL MUNICIPIO DE URIBIA-GUAJIRA

3.11.1 Criterio de Ubicación

Teniendo en cuenta que la velocidad del aire adecuada para el funcionamiento de la turbina es como mínimo de 5 m/s y luego de evaluar los mapas mes a mes del Atlas colombiano (Promedio multianual de la potencia o densidad de la energía

http://www.zytechaerodyne.com/



eólica a 20 metros de altura), se logró determinar que los municipios colombianos que cuentan con esta característica y además hacen parte de las zonas no interconectadas del país son: La Guajira, Meta, Bolívar y San Andrés, por eso son los primeros a tener en cuenta a la hora de pensar en desarrollar un diseño de energía eólica.

Tabla 20. Municipios con alto potencial eólico.

Departamento Municipio % del año con v5m/s

Guajira Uribia 91,7%-100% Manaure

Meta La Uribe 91,7%-100%

Bolívar Regidor 75%-83,3%

San Andrés San Andrés 75%-83,3%

Fuente: Autor

Debido al potencial eólico fue seleccionado para la aplicación del diseño de energía eólica el municipio de Uribía en la Guajira. Este municipio tiene como coordenadas: latitud 71°20” y una longitud de 11°71” de ubicación.

Figura 38. Trayectoria al Municipio de Uribía





Debido al potencial eólico ya que 11 de los 12 meses del año el municipio de Uribía en la Guajira cuenta con una velocidad mayor a 5 m/s fue seleccionado para la aplicación del diseño de energía eólica.

3.11.3 Criterios Técnicos y Procedimiento

A continuación se exponen los tópicos que se trabajaron para el diseño de la instalación eólica en estudio.

- Estudio de las necesidades básicas en corriente continua y en corriente

alterna.

- Evaluación del aporte eólico incidente sobre la ubicación.

- Determinación del aerogenerador o turbina eólica a utilizar.

- Dimensionado del subsistema de acumulación de energía (baterías).

- Dimensionado del subsistema de regulación.

- Dimensionado del subsistema de adaptación de suministro eléctrico

(inversor).

- Dimensionado del subsistema de transporte de energía eléctrica y del

subsistema de protección.

3.11.3.1 Estudio de las necesidades básicas en corriente continua y en corriente alterna

Tabla 21. Descripción de las necesidades en C.C.

Fuente: Autor



Tabla 22. Descripción de las necesidades en C.A.

Fuente: Autor

- Determinación de la carga de consumo diaria Cd.

Energía consumida en corriente continúa por día.

ELámparas=20W*4h

ELámparas=80Wh

EBombillas=20W*4h

EBombillas=80Wh

EiCC= EBombillas+ELámparas

EiCC=80Wh+80Wh

EiCC=160Wh

Energía consumida en corriente alterna por día.

ETelevisor=50w*4h

ETelevisor=200Wh

EMinicomponente=20W*4h

EMinicomponente=80Wh

ERefrigerador=90w*6h

ERefrigerador=540Wh

EDVD=20w*2h EDVD=40Wh

EiCA= ETelevisor+ EMinicomponente + ERefrigerador + EDVD



EiCA=200Wh+82Wh+540Wh+40Wh

EiCA=860Wh

Energía total consumida a diario

Ed=160Wh+

Ed=1115Wh

Carga de consumo diario

Cd=

(Ah)

Cd=

46.45Ah

3.11.3.2 Evaluación del aporte eólico incidente sobre la ubicación

Se investiga y se verifica que los recursos que posee la región son suficientes para satisfacer las necesidades energéticas de la población, obteniendo como resultado que el mes del año más desfavorable de recurso eólico es el mes Julio con 5.2 m/s como se puede observar en la Figura 39.



Figura 39. Recursos del municipio

Fuente: http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/RETScreen/ Figura 40. Recurso eólico anual

Fuente: Autor

http://eosweb.larc.nasa.gov/sse/RETScreen/



3.11.3.3 Determinación del aerogenerador o turbina eólica a utilizar

Teniendo en cuenta el mes más desfavorable de recurso eólico y la carga de consumo, se prosigue a buscar un aerogenerador o turbina eólica que cumpla con esas condiciones básicas.Se hallan 6 turbinas eólicas:

Turbina FL3Kw Bornay 3000 Ew Elisa 2.5 Inclin 3000 Neo 24v con regulador digital Marathon 3.6 Solener III 3 kW 24V ó 48V

Observando las características técnicas y las curvas de potencia de las turbinas eólicas se selecciona la turbina FL3KW, ya que a una velocidad de viento de 5.2 m/s que es la de menor valor en el municipio de Uribía en la Guajira nos da una potencia de aproximadamente 1200 W.

Figura 41. Turbina FL3KW

Fuente:http://www.allsmallwindturbines.com/

Especificaciones técnicas de la turbina FL3KW

Fuente: http://www.allsmallwindturbines.com/



Curva de potencia

Fuente: http://www.allsmallwindturbines.com/

3.11.3.4 Dimensionado del subsistema de acumulación de energía (baterías).

- Tamaño del acumulador

Pf= Profundidad máxima de descarga ocasional en tanto por uno.

Tabla 23. Profundidades máximas de descarga.

Tipo de batería Profundidad máxima de descarga ocasional en tanto por uno

Estacionaria plomo/ácido 0.6

Arranque plomo/ácido 0.4

Sin mantenimiento plomo/calcio 0.5

Alcalina Cd/Ni 1

Fuente: Autor

El número de días de autonomía tiene en cuenta los periodos de muy baja insolación con los días nublados y puede oscilar entre 3 y 10 días, aunque para usos de fin de semana sea obviamente como máximo 3; no obstante se estará calculando a lo que diga la reglamentación vigente si la hubiera. Entonces tenemos:



6 3

6

3

- Calculada la capacidad de la batería, entonces, el número de vasos o elementos en serie se establece por:

Nelemen.serie= Vtr / Velemen

Nelemen.serie= 24V / 12V

Nelemen.serie= 2

Para evitar que se produzcan ciclos de descarga largos diarios mayor a los admitidos por el fabricante al objeto de que la batería tenga una vida útil aceptable, debe comprobarse que la capacidad determinada sea superior a la mínima necesaria para que la batería no se descargue a diario más de la profundidad admisible según el tipo de acumulador. Debe cumplirse que:

Donde la profundidad de descarga diaria se refleja en tanto por uno y la falta del dato del fabricante:

Tabla 24. Profundidad de descarga diaria

Tipo de batería Profundidad de descarga diaria admisible en tanto por uno

Estacionaria Pb/ácido 0.2

Arranque Pb /ácido 0.2

Sin mantenimiento Pb /calcio 0.15

Alcalina 1

Fuente: Autor

6

3 6

3 3



- Cálculo de la capacidad disponible útil del campo de baterías:

Cu=

Cu=

Cu=153.31Ah

-Cálculo de la capacidad nominal del campo de baterías:

Cn=

(Ah)

Cn=

Cn=186.96

- Cálculo del número de baterías que forman el campo acumulador:

N p

N p 6 96

N p 69

N p

- Cálculo del número de baterías que forman el grupo:

N p

N p

N p - El número de grupos en paralelo sería:

N p N

N p

N p



N p

3.11.3.5 Dimensionado del subsistema regulación

Se determinaran las características eléctricas básicas del regulador de carga que necesita, sin tener ahora en cuenta las diversas prestaciones que según el fabricante pueden ofrecernos. La tensión de trabajo del regulador será la tensión de trabajo y su potencia de la turbina. Cabe mencionar que el uso del subsistema de regulación en instalaciones de generación por medio de energía eólica es determinación del diseñador.

3.11.3.6 Dimensionado del subsistema adaptación de suministro eléctrico (inversor)

El cálculo del inversor de manera general no está sujeto a ninguna ley en particular. La elección de éste depende fundamentalmente del tipo de carga que será alimentada en corriente alterna de la instalación, por lo que la potencia nominal del inversor estará determinada por la carga conectada más un 10% de reserva:

Pni=

+ 10%

Pni=

+

Pni=

+ 10%

Pni=244.44 W 250 W Valor comercial - Cálculo del número de inversores:

Número de inversores=PAC/PInv

Número de inversores=200 W/244.44 W

Número de inversores=0.8 1

3.11.3.7 Dimensionado del subsistema de transporte de energía eléctrica y del subsistema de protección.

Cálculo de corriente del circuito alimentador en corriente continua

La cantidad calculada de potencia igual a 40 VA como demanda máxima, es la necesaria para energizar la carga conectada en corriente continua.



Como la tensión del sistema es de 24 V y la demanda máxima es 40 VA, la corriente que circula por el alimentador será la división de estos valores:

66

Del cálculo de la corriente por el alimentador se determina que se debe emplear una protección tipo fusible con un valor de 2 A o la inmediata superior disponible en el mercado.

Cálculo de corriente del circuito alimentador en corriente alterna.

La cantidad calculada de potencia igual a 200 VA como demanda máxima,

es la necesaria para energizar la carga conectada en corriente alterna.

Como la tensión del sistema es de 110 V y la demanda máxima es 200 VA, la corriente que circula por el alimentador será la división de estos valores:

Del cálculo de la corriente por el alimentador se determina que se debe emplear una protección de sobrecorriente con un valor estándar de la norma NTC 2050. De acuerdo a lo previamente calculado, esta protección será de 15 A, ya que tomando como referencia lo estipulado en la NTC 2050, el calibre de cable o alambre, mínimo utilizado para las instalaciones eléctricas residenciales es el 14 AWG, lo recomendable es utilizar un conductor de calibre 12 AWG, quiere decir que la protección debe proteger para efectos prácticos, el conductor de cobre dada su capacidad de transporte que obedece al orden de 15 A.

Selección del conductor de puesta a tierra de equipos De acuerdo con los resultados obtenidos para cada circuito alimentador, nos dirigimos a la Tabla 14que nos indica que para un dispositivo de protección contra sobrecorriente de 15 A según la tabla anterior, le corresponde un conductor de puesta a tierra de cobre (aislado o desnudo) 14 AWG. Ver diseños de los diagramas preliminares de una instalación Eólica en el Anexo B.



4. BIOMASA

La biomasa es aquella sustancia orgánica renovable de origen animal o vegetal. Esta era la fuente energética más importante para la humanidad ya que en ella se basaba la mayor parte de la actividad manufacturera hasta el inicio de la revolución industrial. La utilización de la biomasa, frente a los hidrocarburos, presenta ventajas comparativas que la hacen atractiva para su utilización en procesos de generación de energía, térmica, motriz o eléctrica, bien sea en sistemas centralizados, en sistemas de generación de energía distribuida o para zonas no interconectadas En la actualidad se está utilizando para la generación de energía eléctrica por su viabilidad en plantas que utilicen como combustible materia vegetal plantado exclusivamente para este fin en lo que se denominan cultivos energéticos, o bien la generación a partir de residuos de materia vegetal de los bosques o de uso industrial.

4.1 Utilidad de la variable

La biomasa tiene carácter de energía renovable ya que su contenido energético procede en última instancia de la energía solar fijada por los vegetales en el proceso fotosintético. Esta energía se libera al romper los enlaces de los compuestos orgánicos en el proceso de combustión, dando como productos finales dióxido de carbono y agua. Por este motivo, los productos procedentes de la biomasa que se utilizan para fines energéticos se denominan biocombustibles, pudiendo ser, según su estado físico, biocombustibles sólidos, en referencia a los que son utilizados básicamente para fines térmicos y eléctricos y líquidos como sinónimo de los biocarburantes para automoción. [30]

4.2 Energía de la Biomasa

La biomasa está constituida por la materia orgánica creada por fotosíntesis y sus derivados, contenida en el conjunto de organismos y residuos de una comunidad o de un ecosistema. Esta presenta una característica esencial: la productividad, que equivale a la cantidad de materia viva producida en un lapso de tiempo. Esta productividad está representada por la productividad primaria o producción de los organismos autótrofos (organismos capaces de producir su propio alimento) y la productividad secundaria o producción de los organismos heterótrofos (organismos que no son capaces de producir su alimento; se denominan también organismos consumidores).



4.2.1 Aplicaciones

Sector doméstico

En América Latina muchas familias utilizan leña u otras formas de biomasa para cocinar, particularmente en zonas rurales. Sus fuentes son los árboles alrededor de las viviendas, los campos agrícolas y los bosques. Además, en algunos lugares existe un mercado comercial, aunque informal, de leña, que constituye una fuente importante de ingresos para familias rurales. Las estufas usadas para la cocción pueden ser fijas o portátiles y, a veces, tienen una chimenea. Algunas familias hacen su propia estufa de materiales locales; otras buscan el servicio de un artesano, o la compran en el mercado. Generalmente, estas son simples y son de baja eficiencia. Además, emiten cantidades considerables de gases tóxicos que tienen un impacto en la salud del núcleo familiar. Los procesos domésticos han sido muy ineficientes, pues han presentado pérdidas normales de energía entre 30% y 90%. Aunque los usuarios tratan de mejorar las estufas, por lo general carecen de los recursos financieros y técnicos para hacerlo considerablemente. La baja calidad de estos aparatos produce emisiones de gases tóxicos como monóxido de carbono (CO), metano (CH4) y otros productos de la combustión incompleta. Estos causan problemas de salud como dolores de cabeza, enfermedades respiratorias, afectan los ojos de las mujeres embarazadas, etc. Las más afectadas son las mujeres y los niños, los cuales están expuestos a los gases durante varias horas al día. Frecuentemente, los usuarios no son consientes de ello y de la necesidad de buena ventilación; tampoco relacionan el humo como una causa de sus problemas de salud. Industria La biomasa es una fuente de energía importante para muchas industrias; por ejemplo, para la fabricación de ladrillos y cal, y para el procesamiento de productos agrícolas. En comparación con el sector doméstico, su uso en el sector industrial es menor, pero todavía considerable. Seguidamente se mencionan las aplicaciones industriales más importantes:

Generación de calor: Particularmente en zonas rurales, varias industrias

utilizan fuentes de biomasa para generar el calor requerido para procesos

como el secado de productos agrícolas (café) y la producción de cal y

ladrillos. En las pequeñas industrias, los procesos energéticos muchas



veces son ineficientes debido a la baja calidad de los equipos y a

procedimientos inadecuados de operación y mantenimiento.

Co-generación: Esta aplicación se refiere a la generación simultánea de

calor y electricidad, lo cual resulta considerablemente más eficiente que los

dos sistemas separados. Se utiliza con frecuencia en industrias que

requieren de las dos formas de energía, como el procesamiento de café y

azúcar. Su configuración depende de cuáles la forma de energía más

importante. A veces se utilizan el calor y la electricidad en el proceso de la

planta industrial y se vende el excedente a otros usuarios o a la red

eléctrica.

Generación eléctrica: En varios países industrializados se utiliza la

biomasa, a gran escala, para la red eléctrica interconectada. También se

usa en combinación con otras fuentes convencionales como el carbón

mineral.

Calderas: Las calderas que operan con base en la combustión de biomasa

(leña, aserrín, cascarilla de café, arroz, etc.) se usan en el secado de

granos, madera y otros. Estos equipos están dotados de una cámara de

combustión en su parte inferior (en el caso de las calderas a leña) en la que

se quema el combustible; los gases de la combustión pasan a través del

intercambiador de calor, transfiriéndolo al agua.

4.2.2 Tipos de biomasa

Los recursos biomásicos se presentan en diferentes estados físicos que determinan la factibilidad técnica y económica de los procesos de conversión energética que pueden aplicarse a cada tipo en particular. Estos tipos o fuentes de biomasa pueden ser utilizados para suministrar la demanda de energía de una instalación:

Biomasa natural: Es la que se produce espontáneamente en la naturaleza

sin ningún tipo de intervención del ser humano, principalmente en zonas

boscosas. Los recursos generados en las podas naturales de un bosque

constituyen un ejemplo de este tipo de biomasa. La utilización de estos

recursos requiere de la gestión de su adquisición y transporte hasta la

empresa lo que puede provocar que su uso sea inviable económicamente.

Una de las cosas más importantes que se debe aclarar es que no se puede

explotar de forma indiscriminada por encima de la tasa de renovación del

ecosistema, ya que si esto llegase a suceder el ecosistema se vería

afectado de una forma irreversible.



Biomasa residual seca: se incluyen en este grupo los subproductos sólidos

no utilizados en las actividades agrícolas, forestales y en los procesos de

las industrias agroalimentarias y de transformación de la madera y que, por

tanto, son considerados residuos. Este es el grupo que en la actualidad

presenta un mayor interés desde el punto de vista del aprovechamiento

industrial. Algunos ejemplos de este tipo de biomasa son la cáscara de

almendra, el orujillo, las podas de frutales, el serrín, etc.

Biomasa residual húmeda: son los vertidos denominados biodegradables:

las aguas residuales urbanas e industriales y los residuos ganaderos

(principalmente purines). El potencial de los 40 millones de toneladas de

residuos ganaderos podría ser convertido en unos 2.000 millones de metros

cúbicos de biogás con un potencial energético de 1,2 tep/año.

Cultivos energéticos: son cultivos realizados con la única finalidad de

producir biomasa transformable en combustible. Algunos ejemplos son la

palma africana, la caña, el girasol cuando se destina a la producción de

biocarburantes. Los cultivos que suelen labrar con esta finalidad se

caracterizan por dos aspectos concretos. Por una parte, por su alta

producción por unidad de superficie y año y, por otra, por los pocos

requerimientos que exige su cultivo.

Biocarburantes: aunque su origen se encuentra en la transformación tanto

dela biomasa residual húmeda (por ejemplo reciclado de aceites) como de

la biomasa residual seca rica en azúcares (trigo, maíz, etc.) o en los

cultivos energéticos (colza, girasol, pataca, etc.), por sus especiales

características y usos finales este tipo de biomasa exige una clasificación

distinta de las anteriores.

4.3 Métodos de transformación de la biomasa

Figura 42. Transformación de la energía

Fuente: Autor



4.3.1.1 Métodos termoquímicos:

Estos métodos se basan en la utilización del calor como fuente de transformación de la biomasa. Están bien adaptados al caso de la biomasa seca, y, en particular, a los de la paja y de la madera.

Combustión: directa u oxidación completa para dar dióxido de carbono,

agua, cenizas y calor (único componente energético útil del proceso), es el

sistema más elemental para la recuperación energética de la biomasa. Los

factores más importantes a considerar en este proceso son:

Exceso de oxígeno: 20 - 40%

Temperatura de combustión: 600 - 1.300 °C

Características del combustible: Entre estas encontramos características

físicas (densidad, tamaño y humedad, la menor posible), químicas (bajo

contenido en azufre) y térmicas (dependen de las físicas y las químicas).

La combustión se realiza normalmente en sistemas que constan de los siguientes procesos: En un horno, en un quipo de recuperación de calor (caldera) o en un sistema de utilización de la energía (conducción de vapor, turbogenerador).

Gasificación: Consiste en la quema de biomasa (fundamentalmente

residuos foresto-industriales) en presencia de oxígeno, en forma

controlada, de esta manera produce un gas combustible denominado gas

pobre, por su bajo contenido calórico en relación, por ejemplo, al gas

natural (del orden de la cuarta parte).

La gasificación se realiza en un recipiente cerrado, conocido por gasógeno, en el

cual se introduce el combustible y una cantidad de aire menor a la que se

requeriría para su combustión completa.

Pirólisis: Proceso similar a la gasificación (a la cual en realidad incluye) por

el cual se realiza una oxigenación parcial y controlada de la biomasa, para

obtener como producto una combinación variable de combustibles sólidos

(carbón vegetal), líquidos (efluentes piroleñosos) y gaseosos (gas pobre).

Generalmente, el producto principal de la pirólisis es el carbón vegetal,

considerándose a los líquidos y gases como subproductos del proceso.



4.3.1.2 Métodos biológicos.

La fermentación alcohólica es una técnica empleada desde la antigüedad con los azúcares, que puede utilizase también con la celulosa y el almidón, a condición de realizar una hidrólisis previa (en medio ácido) de estas dos sustancias. Pero la destilación, que permite obtener alcohol etílico prácticamente anhidro, es una operación muy costosa en energía. El proceso se basa en el almacenamiento por parte de las plantas de la energía solar en forma de hidratos de carbono a partir de los cuales se puede obtener alcohol por fermentación, siguiendo diferentes etapas en función del tipo de biomasa de partida. Estas etapas son las siguientes: Pretratamiento de la biomasa: transformación de la materia prima para favorecer la fermentación por medio de trituración, molienda o pulverización.

Hidrólisis: transformación, en medio acuoso, de las moléculas complejas en

azúcares sencillos por medio de enzimas (hidrólisis enzimática) o mediante

el uso de reactivos químicos (hidrólisis química).

Fermentación alcohólica: conversión de los azúcares en etanol por la

acción de microorganismos (levaduras) durante 2 a 3 días bajo condiciones

controladas de: Una temperatura (27 - 32 °C), acidez (pH entre 4 y 5),

concentración de azúcares (inferior al 22%) y de una concentración final de

etanol (inferior al 14%).

Tóxicos: aparte del oxígeno, inhiben la digestión concentraciones elevadas

de amoníaco, sales minerales y algunas sustancias orgánicas como

detergentes y pesticidas.[31]

4.4 TECNOLOGIA DEL BIODIGESTOR

La biodigestión es un proceso de conversión o estabilización de la materia orgánica (biomasa) en condiciones anaerobias, mediante el cual los ácidos orgánicos se convierten en biogás a través de la acción de las bacterias. El biodigestor es la instalación donde se efectúa este proceso de manera controlada y que responde a la necesidad de minimización de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos. Con el biogás se genera en forma simultánea un abono orgánico o compost. Aunque los rellenos sanitarios se conciben como un enorme biodigestor, no siempre se diseñan para producir compost como producto comercial. A diferencia de los biodigestores, en los rellenos la biodigestión no se efectúa de manera controlada. En los rellenos, el monto de las inversiones para captar y/o aprovechar el biogás producto, puede constituirse en un obstáculo para desarrollar estos proyectos.



4.4.1 TIPOS DE BIODIGESTORES

4.4.1.1 Pozos sépticos

Este es considerado el más sencillo y antiguo digestor anaerobio que se conoce. Es un sistema muy común para tratar aguas residuales, tanto en zonas rurales, como urbanas. Se cree que de allí deriva el uso potencial de los gases producidos por la fermentación anaeróbica, para el uso doméstico. La fosa séptica quita los sólidos sedimentarios y flotantes del agua negra y el sistema de absorción filtra y trata el efluente clarificado de la fosa séptica. El quitar los sólidos del agua residual protege el sistema de filtración contra obstrucción y falla prematura. A la misma vez que quita materia sólida, la fosa séptica también permite digestión de una porción de la materia sólida y almacena la porción no digerida. Figura 43.Pozo séptico

Fuente:http://perso.orange.es/activador/enviosPOZOSNEGROS.html

4.4.1.2 Biodigestor Indio

También llamado de domo flotante, en su parte superior presenta una campana o domo que se mantiene flotando en el líquido a causa del biogás que retiene en su interior. El domo puede ser de metal o preferiblemente de un material resistente a la corrosión como los plásticos reforzados. Esta campana sube y baja dependiendo del volumen de gas que contiene y por esto requiere una varilla guía central o rieles laterales que eviten el rozamiento contra las paredes de la estructura. El reactor se alimenta semi-continuamente a través de una tubería de entrada.



Figura 44. Biodigestor Indio

Fuente: http://energiacasera.wordpress.com/2009/09/17/clasificacion-de-biodigestores/

4.4.1.3 Biodigestor Chino

También llamado de domo fijo, se originó en China y consiste en una estructura cerrada con cámaras de carga y descarga que puede ser construida de concreto armado o ladrillos. Tienen una larga vida útil (mayor a 15 años) con un adecuado mantenimiento. Sin embargo, el relativo alto costo que representa la construcción de este modelo hace que no se haya popularizado en países latinoamericanos tanto como otros diseños.

Figura 45. Biodigestor Chino

Fuente: http://energiacasera.wordpress.com/2009/09/17/clasificacion-de-biodigestores/

4.4.1.4 Biodigestor de estructura flexible

También llamado Modelo Horizontal o Biobolsa, es básicamente un digestor tubular horizontal en cuyos extremos se sitúan las cámaras de carga y descarga del sistema. Su configuración alargada impide que la carga líquida inicial y el efluente se mezclen; Esto lo hace útil en el aprovechamiento de residuos que requieran un tratamiento prolongado, tales como excretas humanas y ciertos desperdicios de sacrificio de animales. En este digestor el gas se acumula en la parte superior de la bolsa, parcialmente llena con Biomasa en fermentación; la



bolsa se va inflando lentamente con una presión de operación baja, pues no se puede exceder la presión de trabajo de la misma.

Figura 46. Biodigestor Modelo Horizontal

Fuente: http://www.plasticulstore.com/categoria_Biodigestores,47.htm

4.4.1.5 Digestor flotante

Un rasgo innovador de usar polietileno tubular es que los biodigestores pueden localizarse para flotar en cualquier superficie de agua, con la mitad sumergida. Su boca se localizada sobre el nivel de agua más alto, mientras la toma de corriente debe ajustarse a un objeto flotante, como un coco seco o un recipiente de plástico. En Vietnam más de 5% de los biodigestores flotantes se ubican en estanques que facilitan su instalación, generalmente donde el espacio de las granjas es limitado.[32]

Figura 47. Biodigestor flotante

Fuente:http://blog.espol.edu.ec/gaming/biodigestor/



4.4.1.6 Digestor con tanque de almacenamiento tradicional y cúpula de polietileno

Se caracteriza por tener una estructura semiesférica de polietileno de película delgada en sustitución de la campana móvil y la cúpula fija, y un tanque de almacenamiento de piedra y ladrillo como los empleados en los prototipos tradicionales. Este tipo de instalación posee a su favor que resulta más económica que los sistemas tradicionales. Figura 48. Digestor con tanque de almacenamiento tradicional y cúpula de polietileno.

Fuente:http://www.bibliociencias.cu/gsdl/collect/revistas/index/assoc/HASH012a/47889d5e.dir/doc.pdf

4.4.1.7 Digestores de alta velocidad o flujo inducido

Estos son los utilizados comúnmente en instalaciones industriales o semiindustriales. Generalmente trabajan a presión constante, por lo que se podrían catalogar como Digestores Tipo Hindú Modificado. Se les conoce de ordinario como CSTD (Conventional Stirred Digestor). Se diferencian de los digestores convencionales en que se les ha agregado algún tipo de agitación mecánica, continua o intermitente, que permite al material aún no digerido, entrar en contacto con las bacterias activas y así obtener buena digestión de la materia orgánica, con tiempos de retención hidráulica relativamente cortos, de hasta 15 días. Este es un concepto nuevo dentro de la tecnología de fermentación anaeróbica. Combina las ventajas de varios tipos de digestores en una sola unidad, facilitando el manejo y procesamiento de material biodegradable de diverso origen y calidad. Generalmente los desechos de origen animal, excrementos de cualquier clase, son procesados en digestores convencionales de tipo continuo, que periódicamente reciben carga y entregan por desalojo efluente ya digerido. El tiempo de operación continua de estos equipos es bastante largo y requiere un mínimo de atención al momento de cargarlos, como es el evitar introducir elementos extraños tales como arena, piedra, metal, plásticos o cualquier otro tipo de material lento o imposible de digerir. Luego de unos cuatro o cinco años se



debe detener su funcionamiento para hacer una limpieza general y retirar sedimentos-indigeridos. Buscando un tipo de digestor ideal, se llegó al concepto de digestor de Segunda y Tercera generación, siendo los clásicos modelos Hindú o Chino, los de la primera. Este nuevo modelo de digestor retiene la materia de origen vegetal, que normalmente tiende a flotar, dentro de las zonas de máxima actividad bacteriana como son la inferior y la de sobrenadante intermedia, para que las bacterias tengan tiempo de atacar, hidrolizar y procesar efectivamente el material en descomposición; al mismo tiempo permite que los gases y el material parcialmente degradado sigan el recorrido del proceso normal dentro del digestor.[33]

Figura 49.Digestores de alta velocidad.

Fuente: www.eco-gel.com

4.5 Metodología de Diseño para una instalación a partir de Biomasa

Tras una revisión de las tecnologías disponibles se han encontrado proyectos pilotos de gasificación en Colombia, pero esta es una tecnología costosa, por esta razón la tecnología de biodigestión es la opción más viable y accesible, para la generación de energía eléctrica en ZNI.



Criterio de Recursos: Es donde se verifica si los recursos que posee la región son suficientes para satisfacer las necesidades energéticas de la población.


http://www.eco-gel.com/



APLICACIÓN DE CRITERIOS EN LA FINCA ALTAMIRA, MUNICIPIO SAN CARLOS DE GUAROA – DEPARTAMENTO DEL META

4.5.1 Criterio de Ubicación:

Las diferentes regiones por su cercanía tienen condiciones similares, ya sean climáticas, posición geográfica y las necesidades de sus habitantes. Enfatizamos en una región en la cual se incluyan el mayor número de factores de las ZNI. Por esta razón se escogió un sector del departamento del Meta, y en específico la finca ALTAMIRA, por ser un terreno que cuenta con multiplicidad de recursos y que a su vez brinda disponibilidad del recurso biomásico (ganadería), necesario para la producción de electricidad.

Figura 50. Trayectoria a la vereda San Carlos de Guaroa.



Debido al potencial biomásico y a lo remoto de esta población (que a su vez la convierte en una ZNI), es atractivo para el desarrollo del proyecto.

4.5.3 Criterios Técnicos y Procedimiento

A continuación se exponen los tópicos que se trabajaron para el diseño de la instalación fotovoltaica en estudio.

Estudio de las necesidades básicas en corriente alterna.

Evaluación del aporte biomásico en la ubicación del proyecto.

Cálculo del biodigestor.

Preparación del sitio

Instalación del Biodigestor de Estructura Flexible (Biobolsa)



Selección de la micro-turbina.

4.5.3.1 Estudio de las necesidades en corriente continua y en corriente alterna

Para el estudio de la necesidad presentada en los usuarios ubicados a 19.37 km de la zona urbana de San Carlos de Guaroa - Meta, es necesario definir inicialmente la potencia total demandada para alimentar las cargas requeridas de corriente alterna. Dado esto se determinará la demanda total de energía que debe ser cubierta por el diseño del biodigestor de Estructura Flexible (Biobolsa). Descripción de las Necesidades en C.A.

EQUIPOS No. DE

EQUIPOS POTENCIA

P(W) HORAS

H/día ENERGÍA EN C.A.

kWh/día

Bombillas fluorescentes compactas

6 20 4 0,48

Televisor 1 90 4 0,36

Grabadora 1 30 3 0,09

Refrigerador 1 250 10 2,5

Motor para bombeo de agua

1 2250 2 4,5

Energía Total en C.A. 7.93

Fuente: Autor

SOLUCION

Energía consumida en corriente alterna por día

9

36

3 3

9



36 9

93

4.5.3.2 Evaluación del aporte biomásico en la ubicación del proyecto.

La fuente de biomasa seleccionada para el diseño preliminar son los desechos producidos por los animales y las personas que habitan el inmueble. Para el siguiente diseño se toman las condiciones que posee la finca, en la actualidad los propietarios poseen: 9 vacas, 2 cerdos y habitan 4 personas en el predio.

Nota: En promedio cada kg. de animal produce 18 g. de estiércol en 24 horas. Para conocer la cantidad de estiércol/día, basta multiplicar el peso del animal vivo en kg. por 0.018, de esta forma se construye la Tabla 25.

Producción del ganado bovino, un animal que pesa 600 kg, produce

6

Producción del ganado porcino, un animal que pesa 125 kg, produce

Producción de un ser humano, una persona promedio que pesa 70 Kg, produce

ProducciónHumana=70 kg*0.018 ProducciónHumana=1.26 kg

Tabla 25. Producción de estiércol.

Fuente de estiércol Cantidad de animales Neto unitario por día Kg. Neto total por día Kg.

Bovino 9 10.8 97.2

Porcino 2 2.25 4.5

Heces humanas 4 1.26 5

4.5.3.3 Cálculo de Biodigestor

Se debe tener en cuenta que por cada kg de materia de rápida de descomposición debemos anexar un equivalente en litro de agua.



El factor de amplificación está en un rango que oscila del 25% al 50%.

6

6

3

3 6

6 33 33

Tabla 26. Equivalencias Ton - m3 - kWh

Equivalencias

1 ton de materia orgánica 2 m3 de biogás

1 m3 de biogás 2.2 kWh

1 m3 de biogás 0.8 L de gasolina

Fuente: Autor

Con este Biodigestor tenemos un potencial de producción de energía eléctrica equivalente a 11 kWh.

4.5.3.4 Preparación del sitio

Dado que el sistema recibirá los desechos de forma manual y no por gravedad, entonces el sitio de preparación no necesitara desniveles. La preparación del sitio deberá considerar la forma en que se repartirán los desechos en el sistema, así como la forma más sencilla y cómoda de realizar este proceso. Se asegurara dejar un buen registro en la entrada para suministrar los desechos. El sitio es nivelado (relativamente plano), se le colocan pequeños muros de retención hechos de tabique, piedra o tierra (Figuras 51, 52, 53 y 54), o una trinchera como se muestra en las Figuras 55 y 56. Las características de la zanja: a) Deberá medir 60 centímetros de profundidad. b) De lado a lado deberá tener 120 centímetros.



c) El largo deberá coincidir con el largo del biodigestor (ver Tabla 27). d) La base de la zanja deberá tener las esquinas suaves y redondeadas.

Tabla 27. Capacidad del biodigestor y largo de la zanja.

Capacidad del Biodigestor (m3) Largo de la zanja (m)

3 3.70

5 6.20

8 9.90

10 12.30

12 14.80

16 19.80

Figura 51. Zanja con muros de retención hechos de tierra o piedra

Fuente: www.sistemabiobolsa.com

Figura 52. Zanja con muros de retención hechos de tabique y cemento. Muestra las esquinas suaves y redondeadas con tierra.


http://www.sistemabiobolsa.com/




Figura 53. Zanja con muros de retención hechos en cemento. De nuevo se hace referencia a las medidas y esquinas suaves.


Figura 54. Vista lateral de la zanja con registro de entrada y línea de salida


4.5.3.5 Instalación del Biodigestor de estructura flexible

La instalación del Biodigestor Sistema Biobolsa consta de 5 pasos:

1. Revisar cuidadosamente el sitio ya preparado. Buscar piedras, objetos duros o filosos que puedan dañar el Biodigestor. Se debe tomar todo el tiempo que sea necesario en este paso para evitar problemas a futuro.





2. Se coloca la manta geotextil sobre el sitio para cubrirlo en su totalidad. Debe cubrir el fondo y los muros, dejando algo de manta extra en los 4 extremos. Se debe estirar suave y uniformemente lo más que pueda, porque después de que el Biodigestor sea instalado, no será posible ajustarlo.

Figura 55. El geotextil está siendo utilizado para cubrir el piso y los muros laterales y así proteger la Biobolsa.


3. Se deposita la Biobolsa desinflada en el interior de la trinchera o el suelo entre los muros, con los elementos del sistema (entrada y salida en PVC de 4”) mirando hacia arriba. En algunos casos la Biobolsa se puede desdoblar afuera del sitio final y después colocarla. En otros casos se deberá desdoblar en el sitio final. La bolsa se ajusta para que su salida y su entrada queden al mismo nivel, mientras que la salida de gas quede centrada y directamente arriba. Una vez llena la bolsa, no la podrá mover ni ajustar.

4. Los tubos de entrada y salida de líquidos/sólidos se conectan y fijan en las posiciones pre-establecidas. Habiendo hecho lo anterior, se inicia el llenado de la bolsa con agua. El agua a utilizar no tiene que ser potable, pero sí debe estar libre de cloro, jabón y químicos. Se debe procurar que el líquido no tenga arena ni tierra, que esté más o menos transparente.

5. Se conecta la línea de gas, la entrada de líquidos/sólidos y la salida del biogás. Una vez lleno el sistema de agua, se pueden realizar el resto de las conexiones.




Figura 56. Instalación de los tubos de salida y entrada


4.5.3.6 Selección de la Micro turbina

Las microturbinas de gas son turbinas de combustión de tamaño pequeño, con potencias que actualmente se sitúan entre 10 y 200 kW. Están dotadas de generadores de alta velocidad de imán permanente que pueden girar a la misma velocidad que la turbina de gas, con lo que pueden acoplarse directamente sin necesidad de disponer de un sistema de caja de cambios. Observando las características técnicas de diversas micro-turbinas, seleccionamos la Infinity Turbine 10. Esta dependiendo de la velocidad de flujo de entrada y salida de los puertos que utilice, se puede generar desde 5, 10, 12 o incluso 15 kW/h de energía. El acoplamiento magnético es realmente diseñado para 12 kW y hasta 15 kW.




Figura 57. Micro-turbina Infinity Turbine 10.

Fuente: http://www.infinityturbine.com/ORC/ORC_Waste_Heat_Turbine.html

La desventaja de las Microturbinas es que requieren de una presión en la alimentación del biogás del orden de los 90-100 psi, por lo que la instalación de un compresor es obligatoria.[34]

Ver diseños de los diagramas preliminares de una instalación con Biomasa en el Anexo C.

http://www.infinityturbine.com/ORC/ORC_Waste_Heat_Turbine.html



5. SISTEMAS HÍBRIDOS

Los sistemas híbridos, por definición, son sistemas de generación de energía eléctrica que emplean alguna combinación de fuentes renovables de energía. Un sistema híbrido puede incluir todos o algunos de los siguientes componentes físicos: paneles fotovoltaicos, aerogeneradores, baterías con regulador de carga, turbina hidráulica, generador de corriente alterna (Diesel, biogás…), rectificador (convertidor AC/DC), inversor (convertidor DC/AC), pila de combustible, tanque de hidrógeno y electrolizador, opcionalmente auxiliadas con alguna fuente degeneración a base de combustibles fósiles y con almacenamiento en baterías. Requerimientos y características que tienen más impacto en el diseño y desarrollo de sistemas híbridos: Para el desarrollo de sistemas híbridos ya se han identificado una serie de requerimientos específicos y características para el abastecimiento de energía eléctrica; específicamente en comunidades rurales, gran parte de estos requerimientos se utilizan como una guía para definir y establecer el diseño de un sistema que garantice el abastecimiento energético requerido, a bajo costo y sobre todo aceptado por la comunidad beneficiada.

A continuación se mencionan algunos de los requerimientos más importantes para que el sistema sea sostenible:

• Uso de energías renovables en sitios remotos y la disponibilidad de

recursos energéticos locales.

• Potencia requerida definida y constante.

• El menor costo nivelado posible de la energía generada.

• Operación y mantenimiento.

• Operación desatendida.

• Aceptación local.

• Seguridad.

• Vida útil en servicio.

• Flexibilidad y facilidad de expansión de la capacidad.

• Funcionalidad ante severas condiciones ambientales.

• Reproducibilidad.

• Creación de las estructuras de organización en la comunidad para

procurar cuidados al sistema.



La Figura 58 y 59, nos ilustran algunas combinaciones de sistemas híbridos. Figura 58. Sistemas Hibrido Eólico-Solar

Fuente: Autor

Figura 59 Sistema hibrido Eólico-Solar-Electrógeno

Fuente: www.energiaeolica.gub.uy



5.1 Aplicaciones de los sistemas híbridos

Sistemas para usuarios o comunidades aisladas: se trata de sistemas hasta

un máximo de 100 kW de potencia.

Sistemas híbridos de retrofit: se trata de sistemas renovables instalados en

redes locales en media tensión, hasta la potencia de unos MW, con el fin de

reducir las horas de funcionamiento de los generadores diesel existentes,

ahorrando combustible y reduciendo las emisiones contaminantes.

Los sistemas combinados completamente renovables unen las tecnologías fotovoltaica, eólica e hidroeléctrica. Consideradas las características de intermitencia de las fuentes utilizadas estos sistemas se pueden utilizar en aplicaciones “grid-connected”. En algunas situaciones, se pueden instalar sistemas híbridos completamente renovables, que permiten la autosuficiencia de la red eléctrica. Estos sistemas combinan una fuente continua, para cubrir la necesidad energética de base (biomasa y/o energía geotérmica), y una o más fuentes intermitentes, para cubrir los picos de potencia solicitada (hidroeléctrica, eólica, solar). Cuando el recurso del viento está disponible, los aerogeneradores de tamaño reducido pueden encontrar muchas aplicaciones en los sistemas combinados o híbridos. A igualdad de energía eléctrica producida, de hecho, la tecnología eólica, respecto a otras fuentes renovables, requiere costes de inversión relativamente limitados.[14]

5.2 Requerimientos y características que tienen más impacto en el diseño y desarrollo de sistemas híbridos.

Para el desarrollo de sistemas híbridos ya se han identificado una serie de requerimientos específicos y características para el abastecimiento de energía eléctrica; específicamente en comunidades rurales, gran parte de estos requerimientos se utilizan como una guía para definir y establecer el diseño de un sistema que garantice el abastecimiento energético requerido, a bajo costo, y sobre todo aceptado por la comunidad beneficiada.

A continuación se mencionan algunos de los requerimientos más importantes para que el sistema sea sostenible: Uso de energías renovables en sitios remotos y la disponibilidad de recursos energéticos locales.

Uso de energías renovables en sitios remotos y la disponibilidad de recursos energéticos locales.

Potencia requerida definida y constante.



Operación y mantenimiento.

Aceptación local.

Seguridad.

Vida útil en servicio.

Flexibilidad y facilidad de expansión de la capacidad.

Funcionalidad ante severas condiciones ambientales.

Otros aspectos no menos importantes se presentan en la instalación, donde gran parte de la problemática es atribuible, al igual que en el diseño, a la falta de una guía metodológica y herramientas de software.

5.3 Aspectos Técnicos

Falta de conocimiento suficiente respecto a la disponibilidad de recursos renovables, principalmente viento) en algunos proyectos, que conduce a subdimensionamiento de los sistemas.

Selección de componentes sin tomar en cuenta el medio ambiente del lugar de instalación de los sistemas, que conduce a fallas prematuras de partes y componentes (principalmente en zonas costeras).

En algunos diseños no se toma en cuenta el aumento en el consumo de energía una vez que los usuarios se acostumbran al servicio eléctrico.

5.4 Aspectos no técnicos

No se dejan partes de repuesto y componentes críticos de los sistemas en las comunidades.

Servicios técnicos especializados y refacciones provenientes del extranjero, sin representación en Colombia.

Costo del sistema.



6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Antes de realizar el diseño o dimensionamiento de un sistema fotovoltaico,

eólico o cualquier tecnología renovable es importante identificar las

necesidades o las insatisfacciones sociales de una población. Con base a

esto se determina la tecnología más adecuada para cubrir total o

parcialmente las necesidades energéticas de dicha población.

Uno de los grandes inconvenientes con los que actualmente cuenta la

implementación de energías renovables en el país, se encuentra en la poca

rentabilidad que dejan, debido a los altos costos iniciales de instalación.

Se recomienda realizar, en un proyecto de energía limpia, un estudio

completo donde no sólo estén relacionado los aspectos técnicos sino

también implica aspectos ambientales, financieros, económicos y un

análisis de riesgos.

La implementación de un biodigestor flexible (Biobolsa) para la generación

de energía eléctrica en ZNI es factible, aunque su impacto económico es

variable, ya que el éxito de sus resultados depende de aspectos como la

disponibilidad de combustible que se utilice y la manera en que la

tecnología se introduce, se adapta y se mejora según las condiciones

locales y técnicas. Este tipo de biodigestor es una forma económica para la

generación a pesar de que su vida útil es de 3 a 5 años.

Gracias al trabajo elaborado a lo largo de este proyecto, se pudo constatar

que los métodos de diseño e implementación de estas tecnologías, dentro

del territorio nacional, no son estandarizados en las NTC disponibles como

la NTC 4405 (Eficiencia Energética-Evaluación de la eficiencia de los

sistemas solares fotovoltaicos y sus componentes), la NTC 2587 (Baterías

para Sistemas Solares Fotovoltaicos-Requisitos generales y métodos de

ensayo), lo que genera un gran interrogante y principio de incertidumbre, ya

que las opciones quedan abiertas a los diversos proyectistas que quieran

implementar estas tecnologías, generando en el mercado una competencia

desleal o inequitativa.

Por este motivo se considera necesario, la elaboración y divulgación de

normas o reglamentos que encaminen hacia un mismo objetivo (como fue

el caso del RETIE con las instalaciones eléctricas) este campo, aún

inexplorado o desconocido por muchos.

Es evidente que el mercado de energías alternativas en el país, es un tema

aún inexplorado, o que por el contrario ha sido enmarcado en un contexto

de proyectos piloto y/o experimentales, razón por la cual de momento ha



generado expectativa en un pequeño sector que se ha conectado con esta

iniciativa; sin embargo, sufre una pequeño contratiempo y es el relacionado

con el bajo factor de emisiones que tenemos en el momento, que

desestimulan el mercado.

Los sistemas híbridos presentan ventajas complementarias, si se comparan

con instalaciones en las que solamente son utilizadas una fuente de

energía, por esta razón, es cada vez más común, encontrar proyectos en

los que se dispone no de una, sino de dos o más fuentes alternativas, para

prolongar la autonomía de las mismas (instalaciones).

Las zonas no interconectadas del país poseen un índice de productividad

agrario atractivo para la generación de energía eléctrica, ya que son

espacios donde se pueda implementar el sistema de biodigestión de

estructura flexible (Biobolsa), gracias a la producción de excretas de

animales como materia prima, producto de la ganadería y la porcicultura,

entre otros.

El potencial de producción de energía eléctrica a base de biodigestores a

partir de excretas de animales radica en el flujo sostenido de este recurso.

Esto hace factible la implementación de microturbinas a gas, además la

inversión se recupera en un corto plazo en relación a la vida útil de la

planta. Esto contribuye al mejoramiento en la calidad de vida de las

personas, ofreciendo un tratamiento óptimo a los desechos de los animales.

Se deben explorar mecanismos y aplicar técnicas pedagógicas, para la

socialización de las energías renovables en las ZNI, como una alternativa

de desarrollo y solución a problemas de abastecimiento de energía

eléctrica.



7. BIBLIOGRAFÍA

[1]. Alonso Montes, José, Energía Solar Fotovoltaica, Ibergraphi, Madrid 2002.

[2]. Murillo, Javier Andrés “Utilización de energías renovables, para la

autogeneración y explotación de energía en el campo” Tesis de grado

Universidad de la Sallé, 2008.

[3]. Atlas Climatológico de Colombia, Instituto de Hidrología, Meteorología y

Estudios Ambientales de Colombia. [Online] Disponible en:

http://www.ideam.gov.co/

[4]. Atlas de radiación solar de Colombia, Unidad de Planeación Minero

Energética, UPME. [Online] Disponible en:

http://www.upme.gov.co/Docs/Atlas_Radiacion_Solar/

[5]. Carrillo, José, “Estudio para la electrificación con energías renovables

alternativas utilizando celdas fotovoltaicas”, Tesis de grado Instituto

Politécnico Nacional, 2008.

[6]. Ibáñez Plana, Manuel, Tecnología Solar, Ed. Mundi-Prensa, Madrid, 2005.

[7]. Sánchez, Miguel Ángel, Energía Solar Fotovoltaica, Ed. Limusa, México,

2008.

[8]. Manuales sobre energía renovable: Solar Fotovoltaica/Termica Users

Network (BUN-CA), 1 Ed. - San José, 2006.

[9]. Solar Energy International, Photovoltaics Design and Installation Manual,

Ed. New Society Publisher, California, 2008.

[10]. FOCER. “Manuales sobre energía renovable: Eólica”. BUN-CA. 1era

ed. San José, Costa Rica, 2002.

[11]. Guía activa Completa de la Energía Solar, Centro Europeo de

Empresas. Ed. CEINSA, Madrid, 2005.

[12]. Fernández Salgado, José M, Guía Completa de la Energía Solar

Fotovoltaica y Termoeléctrica, Ed. Madrid Vicente Ediciones, Madrid, 2008.

[13]. Castro, Manuel, Energía Solar Fotovoltaica, Ed. Promotora General de

Estudios Progensa, Sevilla, 2004.

[14]. Ortega Rodríguez, Mario, Energías Renovables, Ed. Parainfo, Madrid,

2000.

[15]. Porras Carlos, “Energía Renovable: Estudio de Sistemas Fotovoltaico y

Eólico de pequeña Escala”, Tesis de pregrado, Universidad de Costa Rica,

2008.

[16]. Diseño de una instalación solar fotovoltaica, Diego Oñate Aresti, 2006.

Disponible en http://www.torres-refrigeracion.com/pdf/artfot_014.pdf.

http://www.torres-refrigeracion.com/pdf/artfot_014.pdf



[17]. California Energy Commission, A guide to Photovoltaic System Design

and Installation, Sacramento, California, 2010.

[18]. Energía Solar Fotovoltaica: manual del instalador, Ed.Valladolid,

España, 2004.

[19]. Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación, Código

eléctrico colombiano – NTC 2050, Artículo 110-15, Ed. Instituto Colombiano

de Normas Técnicas y Certificación, ICONTEC, Ministerio de Desarrollo

Económico, 2002.

[20]. Instituto Colombiano de Normas Técnicas y Certificación, Código

eléctrico colombiano – NTC 2050, Artículo 310-3, Ed. Instituto Colombiano

de Normas Técnicas y Certificación, ICONTEC, Ministerio de Desarrollo

Económico, 2002.

[21]. Reglamento Técnico para Instalaciones Eléctricas (Retie), 2009.

[22]. Atlas del viento de Colombia, Unidad de Planeación Minero Energética

UPME. [Online] Disponible en: http://www.upme.gov.co/Docs/Atlas_Viento/

[23]. Solano, Luis, “Análisis de un parque eólico, influencia de la tensión en

la regulación de la potencia reactiva de sus aerogeneradores”, Tesis de

grado, Universidad Carlos III, 2008.

[24]. Le Gouriérès, Désiré, Energía Eólica: teoría, concepción y cálculo

práctico de las instalaciones, Ed. Masson, Barcelona, 1983.

[25]. García Galludo, Mario, Energía Eólica, Ed. Ediciones Progensa, Madrid,

1991.

[26]. “Formulación de programa básico de normalización para aplicaciones

de Energías alternativas y difusión” Unidad de Planeación Minero

Energética(UPME)[Online] Disponible

En:http://www.upme.gov.co/Si3ea/Documentos/documentacion/ENERGÍAs

_alternativas/normalizacion/COMITES_TÉCNICOS_DE_NORMALIZACIÓN

_RELACIONADOS_CON_ENERGÍAS.pdf

[27]. Gipe Paul, Energía Eólica Práctica: una guía para la instalación y uso

de pequeños sistemas eólicos, Ed. Progensa, Sevilla, 2000

[28]. Cuesta, María José, Aerogeneradores de Potencia Inferior a 100 kW,

Ciemat, España, 2008.

[29]. Cunty Guy, Guía de la energía eólica, Ed. Marxo, Barcelona, 1981.

[30]. Manuales sobre energía renovable: Biomasa/Biomass Users Network

(BUN-CA), 1 Ed. - San José, 2002.

http://www.upme.gov.co/Docs/Atlas_Viento/

http://ticuna.banrep.gov.co:8080/cgi-bin/abnetclwoi/O7272/IDde1e7c02?ACC=133&NAUT=393157&SAUT=Le+Gouri%00e9r%00e8s,+D%00e9sir%00e9




[31]. Rubiano León Patricia “generación de energía eléctrica utilizando un

biocombustible producido mediante el proceso de degradación

microbiológica, para ser utilizado en una población de las zonas no

interconectadas del país”, Tesis de grado Universidad de la Salle 2007.

[32]. Herrero Marti, Jaime, Guía de diseño y manual de instalación de

biodigestores familiares, Ed. Proagro, Bolivia, 2008.

[33]. Empresa Brasilera de asistencia técnica y extensión rural, Manual

técnico, construcción y operación de biodigestores, Ed. Lima, Brasil, 1986.



8. ANEXOS



Anexo A. Diagramas preliminares de una instalación solar fotovoltaica



Anexo B. Diagramas preliminares de una instalación eólica.



Anexo C. Diagramas preliminares de una instalación biomásica.



Anexo D. Herramienta informática de apoyo para el dimensionamiento de instalaciones eléctricas en ZNI.

MANUAL DE UTILIZACIÓN SOFTWARE PRO-ENERGYV 1.0

COMENZANDO El Software Pro Energy es una herramienta informática de apoyo para aquellas personas que desean realizar un estudio preliminar de aplicación de energías alternativas para la producción de electricidad. Para tal efecto el Software contiene material de apoyo para el dimensionado de sistemas que funcionan a partir de energía solar, energía eólica y recurso biomásico a partir del estiércol producido por animales de granja. El programa funciona en la mayoría de plataformas que utilicen el sistema operativo Windows, caso contrario para los sistemas que utilizan Linux como sistema operativo. Sin embargo este programa necesita de librerías especiales para su ejecución, por tal motivo se pueden presentar fallas en el inicio del programa, para solucionar este impase el CD contiene un aplicativo que se debe ejecutar si se presenta el escenario mencionado previamente (2). Para ingresar a la opción de dimensionado del sistema, se debe iniciar el Software Pro Energy (1), ejecutando el archivo Sistema B contenido en el CD de instalación.

Una vez ejecutado el programa, despliega tres menús (Cálculos, Autores, Contáctenos) a su vez el primer menú despliega un submenú para el dimensionado de sistemas eléctricos que funcionan a partir de energías alternativas (Sistema Fotovoltaico Autónomo, Sistema Eólico Autónomo, Sistema Biomasa).

Sistema Fotovoltaico Autónomo

1. Seleccione el tipo de Sistema Renovable a utilizar:

1.1 La primera pestaña se denomina Estimación de Carga y cuenta con 9 filas como se ve a

continuación:

1.1.1 En la primera fila llamada Descripción de cargas, digite el nombre de las cargas

individuales que va a utilizar y en la segunda fila digite la cantidad de elementos.

Nota: Si no requiere todas las casillas de descripción de carga y de cantidad de equipos digite 0.

1.1.2 Digite el voltaje Nominal en la fila 3 y en la fila 4 ó 5 digite la potencia nominal de

cada elemento, dependiendo del tipo de carga, ya sea en AC ó DC.

Nota: En la fila de voltaje nominal digite algún valor de tensión y en las filas 4 y 5 digite 0 en las

casillas que no requiera.

1.1.3 En las filas 6 y 7 digite las horas de uso diario y las horas de uso semanal

respectivamente (digite 0 en las casillas que no requiera), seguido oprima el botón

calcular resultados para obtener la carga total y la carga total promedio diaria en

AC y DC.

1.2 Seguido diríjase a la segunda pestaña para obtener los datos del cálculo de baterías.

1.2.1 Seleccione el voltaje del sistema y oprima el botón de Operar fila 1.

1.2.2 Seleccione el número de días de autonomía, el límite de descarga de las baterías,

digite la capacidad de las baterías en AH y oprima el botón Operar Fila 2, para

obtener el numero de baterías en paralelo.

1.2.3 Seleccione el voltaje de la batería a utilizar, seguido oprima el botón Operar Fila 3

para obtener el numero de baterías en serie y el total de baterías a utilizar.

En la tabla de resultados se observa un resumen de la pestaña de baterías, con el promedio

de los amperios/hora, el número de baterías en paralelo, en seria y el total de baterías a

utilizar.

1.3 Posteriormente vaya a la tercera pestaña denominada Modulo F.V (Fotovoltaico).

1.3.1 De los datos que tiene sobre las horas de brillo solar del lugar donde va a hacer

esta aplicación seleccione el mes más desfavorable, digítelo y oprima el botón

Operar la Fila 1 para obtener la intensidad nominal de los módulos fotovoltaicos y

así hacer la elección de cuál va a utilizar teniendo en cuenta este dato.

1.3.2 Digite la Hora Solar Pico y la corriente de corto circuito de los módulos

fotovoltaicos que selecciono, oprima el botón Operar Fila 2, seguido digite el

voltaje nominal del modulo y oprima el botón Operar Fila 3 para obtener el

numero de módulos fotovoltaicos a utilizar.

1.4 Diríjase a la pestaña del Regulador, en esta lo único que tiene que hacer es oprimir los

botones de Operar Fila 1 y Operar Fila 2, para obtener las características del regulador

que va a utilizar.

1.5 Seguido tenemos la pestaña del Inversor, en esta solo tiene que oprimir el botón de

Operar Fila 1 para obtener las características del inversor a utilizar.

1.6 Por último tenemos la pestaña de cableado, esta se puede utilizar hacer diversos

cálculos como la sección del cable, la longitud del cable en metros, la caída de tensión

y la intensidad máxima en amperios.

Nota: Para obtener alguno de los resultados es necesario tener 2 de los 4 datos nombrados

anteriormente, para así poder calcular S ó V ó I.

Sistema Eólico Autónomo


2.1 La primera pestaña se denomina Estimación de Carga y cuenta con 9 filas como se ve a

continuación:

2.1.1 En la primera fila llamada Descripción de cargas, digite el nombre de las cargas

individuales que va a utilizar y en la segunda fila digite la cantidad de elementos.

Nota: Si no requiere todas las casillas de descripción de carga y de cantidad de equipos digite 0.

2.1.2 Digite el voltaje Nominal en la fila 3 y en la fila 4 ó 5 digite la potencia nominal de

cada elemento, dependiendo del tipo de carga, ya sea en AC ó DC.

Nota: En la fila de voltaje nominal digite algún valor de tensión y en las filas 4 y 5 digite 0 en las

casillas que no requiera.

2.1.3 En las filas 6 y 7 digite las horas de uso diario y las horas de uso semanal

respectivamente (digite 0 en las casillas que no requiera), seguido oprima el botón

calcular resultados para obtener la carga total y la carga total promedio diaria en

AC y DC.

2.2 Esta pestaña brinda información acerca de dónde dirigirse para obtener el aporte eólico

del lugar donde se va a aplicar esta tecnología y donde podemos encontrar una variedad

de turbinas eólicas.

2.3 Seguido diríjase a la segunda pestaña para obtener los datos del cálculo de baterías.

2.3.1 Seleccione el voltaje del sistema y oprima el botón de Operar fila 1.

2.3.2 Seleccione el número de días de autonomía, el límite de descarga de las baterías,

digite la capacidad de las baterías en AH y oprima el botón Operar Fila 2, para

obtener el numero de baterías en paralelo.

2.3.3 Seleccione el voltaje de la batería a utilizar, seguido oprima el botón Operar Fila 3

para obtener el numero de baterías en serie y el total de baterías a utilizar.

En la tabla de resultados se observa un resumen de la pestaña de baterías, con el promedio

de los amperios/hora, el número de baterías en paralelo, en seria y el total de baterías a

utilizar.

2.4 Diríjase a la pestaña del Regulador, digite la corriente de cortocircuito del aerogenerador,

oprimir los botones de Operar Fila 1, en energía eólica lo más común es utilizar un

regulador teniendo en cuenta la carga que se va a conectar.

2.5 Seguido tenemos la pestaña del Inversor, en esta solo tiene que oprimir el botón de

Operar Fila 1 para obtener las características del inversor a utilizar.

Sistema Biomasa Autónomo


3.1 Digite el peso requerido: Bovino, Porcino, Avícola y Humano.

3.2 La primera pestaña se denomina Estudio de las necesidades en corriente continua y en

corriente alterna, cuenta con 5 filas como se ve a continuación:

3.2.1 Digite el tipo de equipos, la cantidad, la potencia y el número de horas día,

respectivamente, seguido oprima el botón de Calcular resultados para

obtener la carga total en C.A.

Nota: En las casillas que no requiera digite 0.

3.3 En la pestaña de Recurso Biomásico digite la cantidad de animales que tiene para

obtener dicho recurso y oprima el botón Calcular resultados.

3.4 En la siguiente pestaña Cálculo de Biodigestor oprimiendo el botón de Realizar

comparación, obtendremos el potencial de producción de energía eléctrica, la carga

diaria, la capacidad del biodigestor, el largo de la zanja y el volumen del biodigestor.

metodologías de diseño para el suministro de energía

Documents